Custo da eletricidade gerada em conjunto motor gerador utilizando biogás da suinocultura
RESUMO
Uma das maiores fontes de energia disponíveis nas áreas rurais e agroindustriais é a biomassa. A mesma aparece na forma de resíduos vegetais e animais, tais como restos de colheita, esterco animal, plantações energéticas e efluentes agroindustriais. Estes resíduos podem ser utilizados pelo produtor rural ou agroindústria para a queima direta, visando a produção de calor ou produção de biogás em biodigestores. Junto a propriedades agrícolas onde há a atividade de suinocultura, ocorre a disponibilidade destes resíduos, caracterizando-se num grande potencial energético. Neste trabalho objetivou-se determinar o custo e viabilidade de produção de eletricidade gerada a partir do biogás numa propriedade rural, utilizando-se como equipamentos de conversão de biogás em eletricidade um motor de combustão interna acoplado a um gerador elétrico.
Palavras - Chave: Biomassa, Energia Renovável, Biocombustível
Introdução
O Brasil é um país com tradição no uso de fontes renováveis de energia, onde se destaca o uso da energia hidrelétrica como sendo responsável pela maior parcela (acima de 80%) de toda geração de eletricidade. Em segundo lugar, o etanol proveniente da cana de açúcar, o qual é utilizado como mistura na gasolina ou puro, substituindo a gasolina (derivado de petróleo). Por outro lado, existem ainda estáticos, com pouco aproveitamento, um enorme potencial de fontes renováveis de energia, destacando-se entre elas a energia solar, eólica e biomassa.
As tecnologias a base de fontes renováveis são atrativas não só devido às vantagens ambientais, mas também sociais. A possibilidade de criação de fontes de suprimento descentralizadas e em pequena escala é fundamental para o desenvolvimento sustentável, tanto em paises desenvolvidos como em paises em desenvolvimento. No interesse desses últimos, sobressaem as centrais que utilizam fontes renováveis e não requerem alta tecnologia para instalação ou técnicos especializados para sua operação.
A diversidade de tecnologias em energia renovável a torna conveniente para prover potência para redes elétricas existentes e produzir energia para sistemas isolados ou em ilha. Por ser um país tropical, existe aqui um enorme potencial de biomassa, devido a grande produtividade de massa vegetal. A biomassa é definida como toda matéria orgânica de origem animal e vegetal, formada pelo processo de fotossíntese, o qual ocorre na presença da luz solar. Pode-se dizer que a biomassa é uma forma de armazenamento de uma pequena fração da energia solar, que inside na superfície da terra, na forma de ligações moleculares orgânicas. É liberada por processos biológicos e termoquímicos. Ao contrário da energia dos combustíveis fósseis, a biomassa é renovável e não contribui para o acúmulo de dióxido de carbono na atmosfera terrestre, ou melhor, todo CO2 liberado durante o uso da biomassa é absorvido novamente no processo de fotossíntese para formação da mesma.
No Brasil podemos citar o exemplo do aproveitamento de resíduos da cana de açúcar onde temos usinas com possibilidade de venda de energia para o sistema elétrico, o que ainda não aconteceu de maneira mais acentuada pela falta de regulamentação no setor elétrico.
Os resíduos rurais incluem todos os tipos gerados pelas atividades produtivas nas zonas rurais, qual seja: os resíduos agrícolas, florestais e pecuários. Os resíduos da pecuária são constituídos por estercos e outros produtos resultantes da atividade biológica do gado bovino, suíno, caprino e outros, cuja relevância local justifica seu aproveitamento energético. Este tipo de resíduo é importante matéria-prima para a produção de biogás.
O biogás é um combustível gasoso com um conteúdo energético elevado semelhante ao gás natural. Este combustível pode ser utilizado para geração de energia elétrica, térmica ou mecânica em uma propriedade rural. Contribuindo desta forma para redução dos custos de produção.
No Brasil os biodigestores rurais vem sendo utilizados para fins de saneamento rural, tendo como sub produtos e biogás e biofertilizante. Conforme dados disponibilizados pelo (IBGE, 1997), o Brasil é o quarto produtor mundial de suínos, contando com cerca de 38 milhões de cabeças, apresentando-se com grande potencial de resíduos.
É necessário o estudo do aproveitamento do biogás disponível na forma de combustível gasoso, o qual pode ser utilizado num motor de combustão interna/gerador para geração de energia elétrica na propriedade rural (SIEBENMORGEN et. al, 1988)
Neste estudo objetivou-se determinar o custo de produção do biogás e geração de eletricidade numa propriedade rural típica, onde ocorrem a disponibilidade de resíduos da suinocultura. Também obteve-se o tempo de retorno do investimento pelo produtor por meio deste tipo de geração em função da tarifa de energia economizada, com a implantação do sistema.
Revisão bibliográfica
Fontes alternativas renováveis de energia
O desenvolvimento tecnológico de pequenas unidades de geração elétrica baseadas em fontes renováveis alternativas de energia com redução nos custos, a liberação do mercado de eletricidade, facilidade de financiamento, possibilidade de instalação junto aos mercados consumidores e menor tempo de implantação, são fatores que favorecem a expansão da geração distribuída, abrindo mercado para estas fontes.
No meio rural, as fontes renováveis alternativas de energia podem ser utilizadas em comunidades rurais isoladas, com o objetivo de melhorar as condições de vida destas populações. A implantação depende da disponibilidade dos recursos energéticos existentes em cada região. Em locais onde há disponibilidade de resíduos animais, os quais não podem ser dispostos diretamente na natureza antes de passarem por um processo de tratamento, ocorre a disponibilidade de biogás. O biogás é subproduto da digestão anaeróbia dos resíduos animais e pode ser utilizado como biocombustível no aquecimento de ambientes, cocção de alimentos e em grupos motor gerador para geração de eletricidade.
No Brasil, o PROINFA (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia), criado com base na lei nº 10.438/02, tem como objetivo o aumento da participação da energia elétrica gerada por Produtores Independentes Autônomos a partir de fontes eólica, pequenas centrais hidrelétricas (PCH´s) e biomassa no sistema interligado nacional. Isso abre uma oportunidade para que sistemas de geração de energia elétrica, utilizando biogás como fonte primária de energia, venham a ser implantados promovendo com isso uma participação desta fonte renovável alternativa de energia na matriz energética nacional. O que não justifica é o fato de o Brasil, um país de clima tropical, com abundância de resíduos, continuar emitindo o gás estufa metano na atmosféra, sem nenhum aproveitamento.
Biomassa, Biogás e geração de eletricidade via biogás
Como biomassa designa-se, em geral, a massa total de matéria orgânica que se acumula num espaço vital. Desta maneira pertencem à biomassa todas as plantas e todos os animais incluindo os seus resíduos bem como, num sentido mais amplo, as matérias orgânicas transformadas como resíduos de indústria transformadora da madeira e indústria alimentar. Estes elementos primários de biomassa podem ser transformados pelas diferentes tecnologias de conversão em biocombustíveis sólidos, líquidos ou gasosos e, finalmente, nos produtos finais energias térmica, mecânica e elétrica ( STAISS & PEREIRA, 2001).
A biomassa foi a principal fonte energética até o início do século 20, quando, então, veio à chamada "era do petróleo" e a biomassa energética foi relegada e largamente ignorada, (ROSILLO-CALLE, 2000). Desta forma, o aproveitamento eficiente da energia térmica com base no petróleo e carvão mineral foi intensamente estudado, enquanto que a biomassa foi tecnologicamente abandonada neste período (ELETROBRÁS, 1994).
O potencial de biomassa em 1990 era de 225 exajoules, no entanto o seu uso real foi de 46 exajoules. Estima-se que o potencial de biomassa irá crescer para 370 a 450 exajoules até o ano de 2050 (8,8 e 10,8 Giga toneladas equivalentes de petróleo) (FISCHER & SCHRATTENHOLZER 2001).
Num sentido energético tem que se distinguir entre biomassa que é cultivada com a finalidade de produção de energia (plantas energéticas) e biomassa que abrange todos os resíduos orgânicos provenientes de outras atividades. As propriedades físicas mais importantes da biomassa sólida são a percentagem de umidade e a densidade energética. A baixa densidade energética de biomassa sólida em comparação com o petróleo e o carvão mineral origina custos elevados de transporte e armazenamento. O desenvolvimento contínuo de técnicas para aumentar a concentração de energia (por exemplo briquetagem) ampliará o espectro de utilização da biomassa na transformação energética. A percentagem de umidade influência significativamente a qualidade de combustão e o poder calorífico da biomassa ( STAISS e PEREIRA, 2001).
Os resíduos animais constituem uma alta proporção de biomassa e seu uso coerente é importante para os aspectos econômicos e ambientais. A digestão anaeróbia tem sido uma das mais mundialmente usadas formas de tratamento desses resíduos e representa uma fonte alternativa de energia via produção de biogás (MASRI, 2001).
Os resíduos provenientes da criação animal tal como avicultura e suinocultura, por exemplo, têm um alto potencial para poluição. Tradicionalmente, esses têm sido lançados diretamente no solo como fertilizantes, mas, em algumas situações, esses métodos podem causar problemas ambientais tais como mau odor e contaminação da água. Duas opções para aproveitamento energético foram estudas para esses tipos de resíduos na Europa: Uma é a digestão anaeróbica dos resíduos de suinocultura, e o outro é a combustão direta aproveitando a cama de aviário (DAGNALL et al 2000). O potencial energético mundial somente com a produção de esterco foi estimado em 20 exajoules (108 J) (HALL & WOODS, 1994).
O biogás é composto por uma mistura de gases cujo tipo e percentagem variam de acordo com as características do tipo de resíduos e as condições de funcionamento do processo de digestão. Os principais constituintes do biogás são o metano e o dióxido de carbono, no qual biogás é composto em média de 65% de metano, sendo o restante basicamente de dióxido de carbono (CO2). Outros gases, como sulfeto de hidrogênio, o nitrogênio, hidrogênio e monóxido de carbono também compõe o biogás em menores concentrações. Na Tabela 1, são apresentados os principais componentes que compõem o biogás suas concentrações.
A produção de biogás utilizando-se resíduos da suinocultura é realizada por meio de biodigestores (reatores anaeróbios) onde o resíduo é geralmente diluído com água de lavagem, constituindo-se no chamado chorume, quantificado em 72 litros por dia/cabeça de suíno e com uma Demanda Química de Oxigênio de 33 g/litro (CCE, 2000).
A Demanda Química de Oxigênio (DQO) é utilizada para estimar a produção teórica de metano, Potencial Bioquímico do Metano - BMP em processos anaeróbios (OWEN et al., 1979). Segundo (SPEECE, 1996 & CCE, 2000) a produção teórica de metano assume sempre um valor fixo, expresso em função da DQO (demanda química de oxigênio), onde 1 kg de DQO convertido corresponde a 0,35 m3 de metano (CH4). A conversão do chorume em biogás leva em consideração a biodegradabilidade da matéria orgânica (75%), a eficiência de conversão no biodigestor (85%) e a fração de matéria orgânica utilizada pelas bactérias no seu próprio crescimento (5%).
Um suíno tem uma produção de 72 litros/dia, o que corresponde a uma carga orgânica de 2,376 kg de DQO. Considerando-se as eficiências do processo (60,5%), a produção de metano em função da carga orgânica seria da ordem de 0,504 m3/cabeça.dia, sendo portanto a produção de biogás de 0,504/0,65 = 0,775 m3 de biogás/cabeça de suíno.dia.
