A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BIOGÁS PARA ATENDER AGROINDÚSTRIAS, PROTEGER MEIO AMBIENTE E MELHORAR FORNECIMENTO DE ENERGIA NO MEIO RURAL

A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BIOGÁS PARA ATENDER AGROINDÚSTRIAS, PROTEGER MEIO AMBIENTE E MELHORAR FORNECIMENTO DE ENERGIA NO MEIO RURAL DALLEPIANE, Patrícia1; SANTOS, Gustavo2; RODRIGUES, Mauro3

Resumo: As redes rurais de distribuição de energia elétrica vêm tendo aumento da potência e da qualidade requerida pelos consumidores nos últimos anos. Com isso, essas redes necessitam de novas ampliações e reforços para suportar a carga inserida, gerando custos para as concessionárias. Por outro lado, grande parte dos consumidores rurais têm sistemas de confinamento para criação de animais, otimizando seu custo e sua produção pecuária, gerando resíduos e gases que, ao não serem aproveitados, afetam o aquecimento global, tais como: gás carbônico e metano. O uso dessas características antagônicas pode ser aproveitado, a partir da implantação de biodigestores nas propriedades rurais para suprir as cargas locais, provendo melhores níveis de tensão, maiores ganhos financeiros para produtores, a partir da venda de energia excedente, e concessionárias de energia, a partir da economia em ampliações na rede de distribuição rural. Além disso, o uso do biogás para gerar energia elétrica evita a emissão deste gás no meio ambiente, onde 95% de seu volume é composto por metano e gás carbônico, os principais gases causadores do efeito estufa. Palavras-Chave: Biodigestores. Geração Distribuída. Microgeração de Energia Elétrica. Abstract: Rural distribution networks of electricity come with increased power and quality required by consumers in recent years. Thus, these networks need new expansions and reinforcements to support the load inserted, generating costs for utilities. On the other hand, many rural consumers have containment systems for breeding, optimizing its cost and livestock production, generating waste and gases that affect global warming, such as carbon dioxide and methane. The use of these opposing characteristics can be availed from the implementation of digesters on farms to supply the local loads, providing better voltage levels, greater financial gains for producers from the sale of surplus energy and utilities, the from the economy in expansion in the rural distribution network. Furthermore, the use of biogas to generate electricity avoids the emission of this gas in the environment where 95 % of its volume is composed of methane and carbon dioxide, the main gases causing the greenhouse effect. Keywords: Biodigestors. Distributed Generation. Microgeneration of Energy. 1

Acadêmica de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail: [email protected] 2 Acadêmico de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail: [email protected] 3 Professor do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail: [email protected]

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INTRODUÇÃO O meio rural é responsável por cerca de 22% do PIB brasileiro (CEPEA/USP, 2012). No entanto, os recursos de energia ainda são escassos e não apresentam constância no fornecimento (Min. Minas e Energia, 2011) da prestação deste serviço, o que acaba criando inúmeras dificuldades para que as agroindústrias mantenham seus produtos e matérias-primas em condições de uso e consumo, levando à perda de insumos e de produção. Esse problema acaba onerando as concessionárias de energia em indenizações judiciais, além dos transtornos gerados para as duas partes envolvidas. A partir da necessidade dos consumidores de energia elétrica do meio rural e das concessionárias, verificou-se a possibilidade de realizar estudos de forma a melhorar o fornecimento deste insumo, melhorando níveis de tensão e diminuindo o custo da energia para os consumidores. Ao avaliar o perfil dos consumidores rurais, foi notado o grande potencial para inserir biodigestores em grande parte das propriedades, das mais diversas extensões, de forma a explorar o biogás gerado a partir da produção pecuária intensiva ou gado confinado, como é mais conhecido esse gênero de produção. Com isso, se busca inserir geração distribuída nos ramais rurais de distribuição e, para demonstrar este aspecto. O presente trabalho apresenta um estudo realizado na Região Noroeste do RS, em localidade com produção voltada para a suinocultura e atendida por uma indústria de grande porte que abastece as unidades rurais com porcos para criação e entrega ao frigorífico. A proposta, também, aplica-se a outras formas de criação em confinamento como aviários, pecuária de corte e leitaria.

METODOLOGIA O objetivo principal é analisar a viabilidade de utilizar o biogás, oriundo da própria atividade rural para gerar energia elétrica, abastecendo a Unidade Consumidora (UC) e vendendo o excedente para a concessionária de energia, além de demonstrar a melhoria do nível de tensão e adequação do fator de potência nessas instalações. A demonstração será feita simulando a capacidade de geração local a partir dos dados obtidos e comparando a rede sem e com geração distribuída. Será apresentado, também, o gasto médio de energia e a possível economia gerada para o empreendedor que aderir ao sistema.

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RESULTADOS E DISCUSSÕES 1. O biogás como combustível O biogás tem potencial para se tornar um dos principais combustíveis para termelétricas nos próximos anos. A sua composição é, em sua maioria, o metano, podendo ficar entre 40 e 80% do volume total. Será adotada neste estudo uma média de 60% de metano, com 35% de dióxido de carbono e 5% de outros gases, como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, amônia, etc.) (FOGAÇA, 2012). O biogás é um recurso renovável, pois é aproveitado a partir da degradação de material orgânico, algo que está sempre ocorrendo na natureza. Além disso, seu uso diminui a emissão de gases causadores do efeito estufa e, no caso de biodigestores, ainda permite o uso do resíduo sólido como fertilizante. A simples queima do gás metano ainda gera a liberação de gás carbônico na atmosfera, que embora seja mais de 20 vezes menos poluidor que o primeiro ainda agride o meio ambiente. Assim, o uso do biogás como combustível para termelétricas é uma alternativa renovável para produção de energia de forma sustentável a partir da combustão e geração de calor para movimentação do conjunto motor-gerador. 2.Animal e o tipo de biogás produzido O confinamento de animais é uma prática muito difundida no meio rural para aumentar os lucros dos produtores, através do maior rendimento na produção pecuária. Esse tipo de técnica traz a possibilidade de fazer a aquisição facilitada do esterco do gado para extrair o biogás. Dependendo do tipo de animal confinado a extração do biogás deve obedecer algumas regras. Na Figura 1 são apresentados os tipos de animais normalmente criados em sistema de confinamento e o tempo de maturação para a geração do biogás.

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Figura 1 – Curva de Maturação do biogás a partir do gado em confinamento. (Adaptado de FARRET, 2010).

Tabela 1 – Tipo de animal e a geração de biogás. Fonte: (FARRET, 2010). ANIMA kg de dejetos/dia m3 de gás/kg de dejetos L Aves 0,09 0,055 Bovinos 10 0,04 Equinos 6,5 0,048 Ovinos 0,77 0,07 Suínos 2,25 0,064

m3 de gás/animal.dia 0,0049 0,4 0,31 0,05 0,14

O biogás ainda tem suas características ligadas à temperatura ambiente, de forma que quanto maior for esta, mais facilmente será liberado no processo. O ideal é que exista uma temperatura em torno de 35 ºC (FARRET, 2010). A Tabela 1 apresenta os tipos de animais e a capacidade inerente de formação de biogás a partir do recolhimento do esterco proveniente. Para que a capacidade do biogás possa ser aproveitada de forma eficaz é necessária a implantação de uma pequena usina termelétrica para queima e geração de energia elétrica.

3. O biodigestor Um biodigestor é uma câmara fechada na qual a biomassa é fermentada anaerobicamente. Ele fornece as condições adequadas para que bactérias façam a decomposição da matéria orgânica, liberando o biogás (GASPAR, 2003).

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Estes equipamentos deveriam fazer parte do cenário rural do Brasil, principalmente devido ao apresentado quanto à pecuária intensiva praticada por meio do confinamento de animais domésticos. Essa característica traria inúmeros benefícios financeiros e ambientais para as propriedades rurais. Como comparação, o setor de agronegócio do Brasil responde por 34,84% do consumo de energia e por 40,74% da emissão de CO2 por ano. Assim, a geração com biogás, oriundo de biodigestores, poderia inverter esta lógica e agregar valor ao negócio rural (MONTOYA et al, 2013). Existem vários tipos de biodigestores, mas este estudo baseou-se no modelo marinha brasileira, por ser de fácil construção, horizontal e possuir um balão que infla com o gás, facilitando a visualização do processo. Outro aspecto importante: após liberar todo o gás da decomposição da biomassa recolhida, os dejetos sólidos remanescentes passam a ter a composição ideal para a utilização como adubo orgânico no solo.

4. A geração distribuída O conceito de geração distribuída possui muitos aspectos importantes. Neste caso, há a possibilidade de implantar micro ou minigeração de energia elétrica, atendendo os requisitos da Resolução 482/2012 da ANEEL (ANEEL, 2013a) ou a geração como produtor independente de energia. Os pequenos aproveitamentos de energia, a partir de microcentrais geradoras, tendem a ser uma realidade no futuro brasileiro, como são em outros países mais desenvolvidos (Min. Minas e Energia, 2011). Esse conceito recebe suporte de argumentos como: Colocar a geração de energia mais próxima aos clientes; Economizar recursos de transmissão de energia; Descentralizar o sistema elétrico; Realizar o aproveitamento de pequenas fontes de energia; Maximizar o aproveitamento energético de fontes renováveis. A regulamentação deste setor é difundida desde 2005. Os autoprodutores e produtores independentes de energia estão normatizados e têm suas operações previstas nas Normas de Distribuição de Energia editadas pela ANEEL (ANEEL, 2013b), (ANEEL, 2013c) e expandidas através das novas regulamentações para Smart Grid.

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Seja com um sistema ou outro, a melhora no fornecimento de energia deve gerar uma estabilidade maior nos níveis de tensão solicitados a partir das cargas disparadas no sistema de distribuição rural. Isso deve atenuar a necessidade de compensação de reativos a partir de correntes de partida para motores e instalações de agroindústrias rurais (ENDERLE, 2012). Dessa forma, com o biogás sendo gerado pelos biodigestores o aproveitamento energético pode ocorrer a partir da instalação de grupo motor-gerador (GMG) específico para biogás. Dados mais detalhados serão abordados no estudo de caso, a seguir.

5. Estudo de caso Na região investigada, Noroeste do RS na cadeia produtiva que atende um grande frigorífico de suínos, foi adotada uma pequena propriedade como padrão produtivo da região. Nessa propriedade são confinados 460 suínos num período de incubação de 115 dias, aproximadamente, criadas cerca de 20 galinhas e alguns patos e marrecos; possui agricultura com a plantação de grãos de soja e milho, além de criadouros para abelhas, na mata ciliar nativa. Há uns 15 anos, a empresa Sadia, antiga dona do frigorífico, adotou a prática de buscar créditos de carbono (MONTOYA et al, 2013) e implantou biodigestores nos seus fornecedores de suínos, como apresenta a Figura 2. Figura 2 – Biodigestor da propriedade, modelo marinha brasileira

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Figura 3 – Chaminé de queima para o biogás na propriedade.

No período que esteve em funcionamento esse equipamento realizava a queima do biogás cerca de 4 a 6 vezes por dia de forma automática. Após danos ao sistema de automação e corrosão da chaminé de queima, Figura 3, o proprietário realiza apenas a liberação do gás de forma manual a partir de encanamento de PVC, por ele implantado, de forma a não danificar a estrutura do biodigestor por excesso de pressão. O sistema de automação utiliza um CLP, que não possui equipe de manutenção na região.

6. A geração de biogás na propriedade A partir dos dados coletados na propriedade pode-se calcular a produção de biogás e a capacidade de geração do local: um suíno produz 2,25 kg de dejetos por dia; 1 kg de dejeto produz 0,064 m³ de biogás. Aplicando os dados nas Equações (1) e (2) (FARRET, 2010), vem: =

biogá /

dejetos/dia

×

(1)

ção/

Onde T é a quantia de biogás produzida por animal, proveniente de m que são os dejetos produzidos por dia e f que é a produção de dejetos por animal. A partir de (1) vem que Tbiogás/animal = 2,25 × 0,064 = 0,144 1bio

á /

=

bio á /

3

/ (2)

×

Onde T1 é a quantia de biogás produzida por dia, a partir do produto de T, quantia de biogás produzida por animal, e N, que é quantidade de animais do local. Assim: 1

á /

=

á /

×

= 0,144 × 460 = 66,24

³/

.

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Levando em consideração os fatores climáticos e os comparativos de Lima (2007), faz-se necessário reduzir do valor encontrado em 30%, o que dará uma margem menor de erros no dimensionamento do gerador a ser utilizado: 1

á /

= 1 ×0,7 = 46,37

³/

.

Com isso, é possível afirmar que se pode produzir 46,37 m3 de biogás por dia, nesta propriedade.

7. Consumo mensal de energia elétrica Os dados coletados quanto ao consumo mensal de energia elétrica da propriedade serão utilizados para a elaboração dos cálculos abaixo, os quais irão demonstrar a capacidade da geração de energia através do biogás e compensar o consumo local, agregando valor ao negócio rural. Da conta de energia elétrica, obteve-se que a propriedade consome em média 280 kWh ao mês, onde se tem uma média diária de 9,33 kWh, ao considerar-se a divisão equalitária por dia de faturamento. No entanto, esta propriedade consome energia em no máximo 16 horas por dia, ou seja, cerca de 0,63 kW a cada hora de uso real. Essa potência poderia ser totalmente atendida pelo biodigestor a partir do investimento em geração. A partir desta constatação foi realizado projeto, com levantamento de dados para a instalação do sistema, detalhando custos de purificador, e grupo motor-gerador para implantar o sistema. 7.1 Custo aproximado da instalação do sistema O local de instalação do grupo gerador ficará distante em torno de 8 m do biodigestor, com um desnível ascendente inicial de 0,5 m, sendo logo em seguida acrescido de mais um desnível ascendente de 0,5 m devido ao filtro purificador, o qual purificará o biogás antes que o mesmo alimente o motor gerador. Fazendo-se uma simplificação, considera-se que o biogás tenha como concentração 80% CH4 e 20% CO2, consegue-se, da Equação (3) seguinte (LIMA, 2007), dimensionar o diâmetro do tubo necessário para interligar o biodigestor ao filtro purificador. (3) Onde S é uma constante que corresponde a 80% de concentração do CH4; Q é a vazão de biogás por dia; H é a máxima pressão em kPa admitida; e L é o comprimento do

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duto. Com isso, o diâmetro fica em D = 61,1 mm. Será utilizado, então, um duto de PVC de 85 mm por ser o mais aproximado comercialmente. Dependendo do valor e da disponibilidade pode ser empregado um de 100 mm de diâmetro para ter uma folga maior em caso de aumento na geração de biogás. São necessárias 3 (três) barras de tubos em PVC de 85 mm com valor unitário de R$ 43,00, 2 (duas) luvas de 85mm com valor unitário de R$ 1,50, chegando ao montante final do custo da tubulação de R$ 46,00. A tubulação deve ser conectada a um filtro purificador com limalha de ferro oxidada, o qual será constituído por 2 (dois) dutos purificadores. Tabela 2 – Custo para instalar o sistema de geração com biogás. Fonte: (JOHANN, 2011).

Descrição

Valor (R$)

Tubulação

46,00

Filtro purificador

403,70

Motor/Gerador

45.000,00

Manutenção anual

1.300,00

Total

46.749,70

Analisando os modelos disponíveis no mercado, o motor gerador que mais se aproxima do necessário possui 30 kVA de potência. Este, é composto por um motor de combustão adaptado para biogás, sendo acoplado a um gerador com rotação de 1800 rpm, frequência de 60 Hz e trifásico (380V). Além do motor e do gerador, o GMG ainda possui um painel de controle para realizar o monitoramento do seu funcionamento e um radiador para refrigerar o motor. O valor orçado para esse conjunto varia em torno de R$ 45.000,00, com uma taxa de manutenção anual de R$ 1.300,00, gastos com filtro e óleo que devem ser trocados a cada 250 horas de uso do motor, ainda a troca de velas a cada 500 horas de uso. O custo total da instalação será detalhado na Tabela 2.

7.2 Capacidade de geração Tendo como base que o motor/gerador consome em média 10

3

de biogás por hora,

a propriedade rural em análise poderia gerar energia durante 4 horas todos os dias a plena capacidade do motor ou regular sua geração para atender a demanda local com folga. Como a propriedade consome menos de 10 kW/dia, o restante da energia gerada pelo conjunto poderia Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 3 n°1 171

ser vendida para a concessionária de energia elétrica da região onde está instalada a propriedade trazendo assim algum retorno financeiro para o proprietário.

7.3 Retorno do investimento Existem financiamentos disponibilizados por bancos públicos e privados, além do BNDES com juros subsidiados, mas fogem ao escopo deste estudo.

8. Simulação Com os dados atualizados é possível simular a geração distribuída num ramal rural de uma concessionária de energia, através do qual passam 6 clientes que possuem biodigestores capazes de ter a implementação da geração de energia elétrica, sugerida. Esse ramal possui 1,5 km de extensão, com 380 V de tensão, sendo, portanto, o trecho final após o transformador. A Figura 4 apresenta as formas de onda de corrente e tensão simuladas no software Simulink, sem a inserção da GD, com readequação das cargas do cliente. Essa linha tem a característica de impedância conforme Enderle (2012), onde a relação de impedâncias é unitária. A carga, no entanto, é desequilibrada apresentando as características da Tabela 3. Tabela 3 – Dados das cargas utilizadas na simulação. Fonte: os próprios autores.

Tipo de carga

Resistência (Ω)

Impedância (Ω)

Fator de potência

RL

100

48,43

0,9

RL

15

6,38

0,92

RL

12

5,8

0,9

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Figura 4 – Forma de onda da tensão para o sistema simulado sem GD. Fonte: os próprios autores.

Figura 5 – Forma de onda da tensão para o sistema simulado com inserção da GD. Fonte: os próprios autores.

A distorção apresentada provém das características dos consumidores, condensadas em circuitos RL, com alto desequilíbrio entre as fases, principalmente, devido à primeira carga RL. O objetivo da implantação da GD é adequar o fator de potência e diminuir o desequilíbrio entre as cargas a partir da melhor acomodação de cargas por fase no circuito de distribuição.

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Com a inserção de geração que atenda 30% da carga RL trifásica dimensionada, sobretudo a maior, é esperado o resultado apresentado na simulação da Figura 5, onde o modelo apresentado possui as mesmas características anteriores da Tabela 3. Com a redução do desequilíbrio entre as cargas atendidas, onde se pode perceber a melhoria do fator de potência a partir da melhoria na forma de onda de tensão e corrente sobre o ramal de distribuição de energia elétrica rural, simulado. CONCLUSÃO A partir do estudo realizado, através de simulação, é possível verificar que a geração distribuída com biodigestores rurais pode trazer uma melhora no nível de tensão dos ramais de distribuição. Com as premissas apresentadas, também é possível inferir que ocorrerá valor agregado ao negócio rural além da diminuição de emissão de CO2, principalmente para locais onde há agroindústria, pois esta área é responsável por mais de 60% das emissões no meio rural (MONTOYA et al, 2013). Neste caso, a carga maior representa cargas alocadas, simuladamente como agroindústria, justamente para reforçar este fator de necessidade de GD na área rural. Com os fatores abordados é possível concluir que a implantação de GD no meio rural pode trazer uma folga à crescente demanda por energia elétrica nesse meio, forçando as distribuidoras a reforçar suas redes e conviver com desequilíbrio entre os sistemas projetados, acarretando desvios consideráveis no fornecimento de eletricidade. Além disso, a implantação desta GD, com possibilidade de venda à rede trará a necessidade de adequar o sistema interno da propriedade rural a normas atuais o que fará uma melhor adequação das cargas e melhoria no regime permanente de funcionamento do sistema de cada unidade consumidora. Com várias unidades em funcionamento ainda há a possibilidade, não abordada adequadamente neste trabalho, dos consumidores implantarem uma cooperativa para fornecer a energia excedente em grupo, como produtores independentes de energia, agregando mais valor ao seu produto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ANEEL-Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução 482/2012-Microgeração e minigeração de energia Elétrica. Disponível em: www.aneel.gov.br. Acessada em abril/2014.

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ANEEL-Agência Nacional de Energia Elétrica. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica-PRODIST. Disponível em: www.aneel.gov.br. Acessada em abril/2014. CEPEA/USP-Centro de Estudos Avançados em Economia Aplicada. "PIB do Agronegócio Dados de 1994 a 2011”. ESALQ, USP, 2012 ENDERLE, T. P. 2012. Aplicação de conversores estáticos para regulação de tensão em redes de distribuição monofásica. Dissertação. Universidade Federal de Santa Maria. 2012. FARRET, F. A. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica. 2ª edição. Santa Maria - RS. Editora UFSM, 2010. FRANÇA JR, A. T. de. Análise do aproveitamento energético do biogás produzindo numa estação de tratamento de esgoto. Ilha Solteira – SP. Dissertação. Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho. 2008. GASPAR, R. M. B. L. Utilização de biodigestores em pequenas e médias propriedades rurais com ênfase na agregação de valor: um estudo de caso na região de Toledo – PR. Florianópolis – SC. Dissertação. Universidade Federal de Santa Catarina. 2003. JOHANN, C. D. Dimensionamento de uma instalação para o aproveitamento do biogás existente nas pequenas propriedades rurais. Horizontina – RS. Monografia. FAHOR. Horizontina, 2011. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. “Relatório BEN 2011. 2011. MONTOYA, M. A., PASQUAL, C. A., LOPES, R. L., GUILHOTO, J. J. M. "Consumo de Energia, Emissões de CO2 e a Geração de emprego e renda no agronegócio...". TDNereus, USP, 2013.

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