Muitos estudos tem sido realizados visando o uso do biogás como combustível em sistemas de cogeração nas áreas rurais. (STAHL et al., 1981) descreveu à utilização de um sistema de cogeração de 22,5 kW com posterior adequação de cargas térmicas e elétricas para suprir os usos finais de uma propriedade agrícola. (COPPINGER et al., 1978) apresentou um trabalho de produção de eletricidade e aquecimento de água utilizando uma unidade de cogeração de 40 kW numa propriedade rural com resíduos de gado leiteiro. (KOELSCH et al., 1982) elaborou um estudo de um sistema de cogeração de 15 kW em uma propriedade rural com resíduos de gado leiteiro e foram detalhadas as variações das cargas, as misturas do biogás como combustível para o gerador elétrico. (FISCHER & SCHRATTENHOLZER, 2001) estabeleceram um estudo de caso sobre o uso de biogás como combustível alternativo numa propriedade rural composta de digestor anaeróbico e com um rebanho suíno de 3200 cabeças em fase de terminação. Em uma instalação comunitária de biogás na Aldeia Pura - Índia (RAJABAPAIAH et al, 1993) o biogás é utilizado num motor de combustão interna de 4,2 kW para geração de energia elétrica.
Metodologia
Capacidade de produção de biogás
As propriedades de suinocultura variam de pequenas propriedades com capacidade de 100 matrizes, até grandes propriedades com mais de 2500 matrizes. Isso influi na maior ou menor produção de biogás, dado que o índice teórico de produção de resíduo (chorume) é de 72 litros/dia.cabeça, resultando em 0,775 m3 de biogás/cabeça de suíno dia, uma propriedade com 100 matrizes, produz 7200 litros/dia de chorume e 77,5 m3/dia de biogás por matriz. Com isso foi possível estimar a produção de biogás em função da capacidade de produção de uma propriedade rural de matrizes.
Produção de eletricidade via biogás
O poder calorífico inferior do biogás é de 6,5 kWh/m3 e a eficiência de conversão do biogás em energia elétrica com grupos geradores (motores ciclo Otto) é de aproximadamente 25% (CCE, 2000).
Custo de produção de eletricidade via biogás
O custo de produção da eletricidade com aproveitamento do biogás é composto do capital investido na construção e manutenção do biodigestor e sistema motor/gerador, sendo que o biodigestor representa cerca de R$ 200.00/suíno e o conjunto motor gerador R$ 440.00/kW.
O biodigestor opera numa propriedade rural durante o ano inteiro, sob condições adequadas de operação e manutenção. O biogás ao ser produzido é utilizado diretamente pelo conjunto motor gerador, o qual pode operar durante dez horas diárias ou no horário de ponta (4 horas/dia). Quanto menor tempo de operação maior o custo de geração de energia elétrica, aumentando com isso tempo de retorno do investimento.
Utilizou-se uma taxa de desconto de 8%, a qual seria a taxa usual de financiamento do governo federal nas atividades de produção agrícola. Os gastos com O&M durante o ano, representam cerca de 4% do investimento total. Por meio da tarifa de energia paga pela propriedade foi possível obter o tempo de retorno do investimento. O custo de produção de energia elétrica via biogás é dado por
Ce - Custo de energia elétrica produzida via biogás (R$/kWh), CAB - Gasto anual com biogás (R$/ano) e PE - Produção de eletricidade pela planta de biogás (kWh/ano).
Sendo
CAG - Custo anualizado do investimento no conjunto motor gerador (R$/ano), CIG - Custo do investimento no motor gerador (R$), OM - Custo com organização e manutenção (%/ano), CB - Custo do biogás (R$/m3) e CNB - Consumo de biogás pelo conjunto motor gerador (m3/ano).
A produção de eletricidade ( PE ) é dada por
Pot - Potência nominal da planta (kW), T - Disponibilidade anual da planta (horas/ano). O fator de recuperação de capital é dado por
FRC - Fator de recuperação de Capital, j - taxa de desconto ( % ano ) e n - anos para amortização do investimento.
O custo do biogás é dado por
CAB - Custo Anualizado do investimento no biodigestor (R$/ano) e PAB - Produção anual de biogás (m3/ano).
CIB - Custo de investimento no biodigestor (R$) e PAB - Produção anual de biogás (m3).
Para se verificar a viabilidade de geração de energia elétrica, determinou-se o tempo de retorno do investimento (TRI)
onde
CI - Custo de investimento no sistema biodigestor/motor e gerador (R$), A - Gasto anual com energia elétrica adquirida na rede (R$/ano), OM - Gastos com amortização e manutenção da planta (R$/ano), TRI - Tempo de retorno (anos).
Resultados e discussão
Numa propriedade típica contendo um aviário, pocilga, fábrica de ração e residências, a carga utilizada é de aproximadamente 39 kW, distribuídos conforme a Tabela 1. Se a propriedade dispõe de cama de aviário, esta constitui-se numa excelente forma de biomassa, a qual poderia contribuir para um aumento na produção de biogás pelo biodigestor.
Seriam necessários a instalação de um conjunto motor gerador de 40 kW, o qual teria a necessidade de 258 suínos (matrizes) para uma produção de 200 m3/dia de biogás operando a 10 horas por dia. Caso a operação da planta fosse somente no horário de ponta, a fim de aliviar o sistema, seriam necessários 103 suínos (matrizes) .
Os custos do biogás e geração de eletricidade para diferentes tempos de amortização e operação do sistema na base (10 horas) e na ponta (4 horas) são mostrados na Tabela 2. A utilização do sistema somente na ponta, se justificaria se houvesse uma tarifa a ser paga pelo produtor rural diferenciada em hora de ponta e fora de ponta, mas isso não ocorre no meio rural. Para o sistema interligado, seria vantajoso o incentivo a fontes renováveis alternativas de energia para geração de ponta, aliviando com isso o sistema e contribuindo para uma diminuição dos investimentos em usinas de ponta. Isso seria possível, mediante políticas de tarifas diferenciadas na ponta e fra de ponta.
A Tabela 3 mostra uma comparação entre os custos mínimo e máximo do biogás frente a outras formas alternativas de energia. Observou-se que o biogás já é competitivo em relação a energia solar e até a geração a diesel. Outra forma de aproveitamento do biogás seria sua utilização em micro turbinas, mas as mesmas apresentam um custo elevado e o seu tempo de vida operando com biogás ainda é baixo.
A Figura 1 abaixo mostra o tempo de retorno do investimento no sistema de geração de energia elétrica proposto para operar 10 horas por dia em função da tarifa de energia paga pelo produtor rural, quanto maior o valor da tarifa menor o tempo de retorno do investimento, no caso da Mesoregião Oeste do Paraná, onde a tarifa cobrada pela concessionária local está em torno de R$130.00/MWh, o tempo de retorno é de 5,4 anos.
O biogás seria apenas um subproduto gerado pelo processo de tratamento do resíduo da suinocultura, o qual quando aproveitado permite ao produtor rural tornar-se auto suficiente em energia elétrica e pagar o capital investido num sistema de tratamento de resíduos. O biofertilizante produzido no biodigestor, quando aproveitado poderia reduzir ainda mais o tempo de retorno do investimento, viabilizando ainda mais a proposta de implantação de biodigestores como forma de saneamento rural.
Uma outra vantagem, no aproveitamento do biogás, é o fato do metano ser um gás que contribui para o efeito estufa mais intensamente que o dióxido de carbono e sua queima para geração de energia contribui para a redução de seu efeito como tal.
Se o sistema operar somente durante o horário de ponta (4 horas) o tempo de retorno do investimento para uma tarifa fixa seria maior (Ver Figura 1). Com a tarifa a R$ 130/MWh, o temo de retorno seria de 9,1 anos. Para que o tempo de retorno fosse de 4 anos a tarifa deveria ser de R$ 220/MWh, cobrada na ponta.
Conclusões
Por meio das análises dos resultados foi possível observar que a viabilidade do sistema depende da tarifa paga pelo proprietário rural a concessionária local de energia.
O conjunto motor gerador pode ser utilizado na ponta com um custo do biogás de R$ 190.00/MWh (tempo de amortização de 5 anos), utilizando biogás a um custo de R$ 0.21/m3. Na base (10 horas diárias) o custo encontrado foi de R$ 190.00/MWh.
O retorno do investimento depende da tarifa de energia paga pelo produtor e da disponibilidade da planta, para uma tarifa de R$ 190.00/MWh e a planta operando 10 horas/dia, o retorno seria de 5,4 anos, o que é razoável.
Agradecimentos
Agradeço ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa, segundo o processo: 478601/01-8.
Referências bibliográficas
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