8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 DESEMPENHO DE UM GRUPO GERADOR OPERANDO COM MOTOR DIESEL CONVERTIDO PARA FUNCIONAR APENAS COM GÁS NATURAL Jaguaribe, E. F.; Rumão A. S.; Nascimento, E. T.; Queiroga, B. L. C.; Ferraz, F. B. e Filho, R. M. Laboratório de Termoenergética - Departamento de Tecnologia Mecânica. Universidade Federal da Paraíba Cidade Universitária Campus I, João Pessoa. Paraíba, Brasil. emerson@ct.ufpb.br RESUMO Muitas indústrias no Brasil vêm utilizando energia elétrica gerada a partir de grupos geradores a Diesel, sobretudo nos horários de ponta (de 18 as 21 h). Verificou-se mais recentemente que a substituição do Diesel pelo gás natural pode trazer mais economia e ser mais propício ao meio ambiente. Neste trabalho são apresentados resultados da operação de um motor Diesel estacionário MWM D-229-4, convertido para funcionar apenas com gás natural, (ciclo Otto), em um processo reversível, empregando-se tecnologia simples e de baixo custo. O motor acoplado a um gerador operou a 1800 rpm, em faixa de potência que variou de 8 a 31 kw. Fazendo-se uma comparação com dados de consumo do fabricante, para a mesma rotação, verificou-se que o motor convertido possibilita uma economia em termos de Reais, R$, de até 23,65% (31kWe). Constatou-se, ainda, que com vista às emissões gasosas, todos os teores estão abaixo daqueles exigidos pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente, CONAMA, do Brasil. PALAVRAS CHAVES: Motor Diesel Estacionário, Conversão de Motor, Gás Natural, Consumo de Combustíveis, Emissão Gasosa. 873

2 INTRODUÇÃO: O Brasil se destaca por ocupar o décimo lugar como o maior consumidor de energia no mundo, sendo o terceiro colocado nas Américas, superado apenas pelos Estados Unidos e pelo Canadá. Mesmo assim, o consumo de energia primária no País tem crescido significativamente, o que vem exigindo, nestas últimas décadas, imensos esforços para diversificar e aumentar a produção de energia, já tendo, neste sentido, conseguido a auto-suficiência com relação à produção do petróleo. [1]. Considerando-se todos os empreendimentos de geração de energia em operação no Brasil, inclusive levando-se em conta a energia importada, a geração proveniente de centrais hidroelétricas, representa 70,17 % de toda capacidade instalada nacional, isto é, kw, do total de kw [2]. Também é importante notar que no Brasil, é a indústria a maior consumidora de energia elétrica (elas respondem por pouco mais de 46% do consumo), seguidas pelo setor residencial (em torno de 22%) [3]. É também responsável por cerca de 14,4% do consumo de derivados de petróleo, principalmente para alimentação de grupos geradores a Diesel utilizados na geração de energia elétrica, sobretudo nos horários de ponta (de 18 às 21 h). Por outro lado, verifica-se que a continuidade na exploração do potencial hidroelétrico, ainda disponível, está muito comprometida por problemas de viabilidade econômica e, no caso de certas regiões, por restrições relacionadas ao impacto ambiental, que tornam os investimentos nesse tipo de geração muito elevados. Devido a estas limitações no caso da energia elétrica oriunda das hidroelétricas, o uso do gás natural vem se intensificando de maneira notável nos últimos anos. O Gás Natural Veicular (GNV), conhecido como combustível do futuro, é uma mistura de hidrocarbonetos leves que, à temperatura ambiente e pressão atmosférica, permanece no estado gasoso. É constituído predominantemente por metano (CH 4 ) com teor mínimo em torno de 87%. Ele é encontrado acumulado em rochas porosas no subsolo, freqüentemente acompanhado por petróleo, constituindo um reservatório. A queima do GNV é reconhecidamente uma das mais limpas, praticamente sem emissão de monóxido de carbono. Dessa forma, o Gás Natural Veicular representa, sem dúvida, a melhor opção de combustível para utilização em centros urbanos, onde os controles de poluição estão ficando cada vez mais rigorosos. Por não possuir enxofre em sua composição, a queima do Gás Natural não lança compostos que produzam chuva ácida quando em contato com a umidade atmosférica. Contribui, desta forma, para a melhoria da qualidade de vida da população [4]. Em virtude da deficiência energética nacional e na tentativa de explorar, ainda mais, o potencial do gás natural e torná-lo definitivamente uma fonte alternativa para a produção de energia elétrica nas indústrias, o Laboratório de Termoenergética do Centro de Tecnologia da Universidade Federal da Paraíba, LTE, desenvolveu um processo de conversão de motores Diesel para Gás Natural (GN), que recebeu o código de pedido de patente PI A técnica é capaz de promover a adaptação de tais motores para funcionar exclusivamente com o GN. De uma forma geral, os sistemas existentes, como o Hybrid Fuel Systems, HFS, localizada em Fayetteville, Geórgia, Estados Unidos, convertem o motor Diesel para um sistema bi-combustível, ou combustível dual, que substitui cerca de 80% do Diesel para GN. O sistema proposto pelo LTE utiliza material totalmente nacional, o que reduz consideravelmente o custo do processo de conversão. Além disso, este processo é totalmente reversível, ou seja, é possível facilmente retornar as configurações originais do motor. A Figura 1 mostra o motor MWM D após sua conversão. Figura 1: Motor MWM D229-4 convertido para funcionar exclusivamente com gás natural.

3 MATERIAIS E MÉTODOS: No processo de conversão DIESEL/GN remove-se, inicialmente, todos os condutos por onde flui o Diesel, inclusive retirando-se a bomba de combustível. Em seguida, se adicionam aos cabeçotes, velas de ignição, cabos de vela e um sistema de controle eletro-eletrônico formado por uma bobina, módulo de ignição e painel de controle, aonde se visualiza a temperatura do motor, bem como sua rotação. Um dispositivo mecânico projetado e construído pela equipe, isto é, o fulcro transferidor, é instalado entre o distribuidor e a engrenagem acoplada ao eixo de comando. Introduz-se, também, um corpo de borboleta (tipo governante) interligado com um módulo eletrônico de velocidade (regulador de velocidade) que permite o controle do fluxo de gás para manter a rotação do motor constante a 1800 rpm. Finalmente, é associado um kit de gás natural comercializado no mercado nacional. Deve ser observado, ainda, que este sistema de conversão proposto, tem a grande vantagem de não intervir na estrutura original do motor, podendo facilmente retornar à sua condição original de Diesel. Empregando-se tal processo, converteu-se um motor a diesel MWM D229-4, de quatro cilindros. O motor convertido foi testado acoplado a um gerador elétrico de 20 kwe da Bambozzi, empregando-se um dinamômetro, cuja carga variável é produzida por um grupo de resistores. Nos testes a carga variou entre 8 e 31 kw. Para se automatizar o controle de velocidade foi introduzido um corpo de borboleta, juntamente com um módulo eletrônico, que fazem com que o motor busque o torque necessário, para vencer a carga momentânea. A rotação é mantida a 1800 rpm. Para se avaliar o comportamento do consumo em função da carga, utilizou-se uma balança Filizola, com interface para computador. Durante os ensaios, o cilindro de GN que abastece o motor, permanecia na plataforma da balança. Desta forma, foi possível calcular o consumo de combustível, em base mássica, em intervalos de tempo estabelecidos, os quais foram registrados em termos de kg/h. Simultaneamente, os gases de escape do motor convertido foram avaliados com o auxílio de um analisador de gás da Alfateste. O programa usado pelo aparelho permite comparar as taxas de emissões de HC, CO, CO 2 e O 2 do motor examinado, com as de motores padrões. Os dados de emissões destes gases para os motores considerados como padrões residem na memória do equipamento. Neste trabalho, escolheu-se para comparação, o motor Diesel da Ford Ranger 4.0, ano 96, por ter características semelhantes às do motor MWM D229-4, de 3,9 cilindradas, o qual determinou os limites de comparação do CONAMA, que aparecem na Figura 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES: A Figura 2 mostra o gráfico das potências do motor convertido e do original a diesel, para uma rotação de 1800 rpm. Os dados do funcionamento do motor a diesel foram fornecidos pela MWM do Brasil. Potência (kw) P1 = 44,76 kw Diesel Gás Natural P2 = 31,00 kw Rotação (rpm) Figura 2: Potência dos motores MWM D229-4, operando a diesel e a GN, convertido, mantendo-se a rotação a 1800 rpm.

4 Verifica-se na Figura 2 que a potência máxima do motor a diesel original, de 44,76 kw, cai a 31 kw, quando operado com GN, implicando em uma perda de 30,74%. Por sua vez, a Figura 3 destaca a relação de consumo entre o motor convertido e o mesmo motor original (Diesel), operando em condições semelhantes. Figura 3: Análise comparativa do consumo em função da potência. Percebe-se, através da Figura 3, que tanto o consumo mássico de Diesel quanto o do GN aumenta com o crescimento da potência. Também se observa que o consumo de Diesel varia linearmente com a potência e o consumo de GN tende também a ser linear. O consumo de GN é maior do que o do Diesel. A diferença média entre estes consumos é de 1,92 kg/h. A Figura 4 evidencia os custos com combustíveis, Diesel e GN, baseados nos preços de mercado, [5], bem como nos desempenhos dos motores destacados na Figura 3. Figura 4: Custo de combustível, em função da potência. Da Figura 4 se constata que para potências superiores a 13,01 kw, o motor convertido é mais econômico, uma vez que o preço do GN é mais baixo do que o do Diesel. (Os preços do GN e de Diesel são estabelecidos

5 pelas distribuidoras brasileiras. Atualmente o valor médio do m 3 de GN é de R$ 0,80, enquanto que o litro de Diesel é de R$ 1,67 [4]). Figura 5: Economia do motor convertido operando com GN em relação ao motor original funcionando com o Diesel. Constata-se através da Figura 5 que a economia do motor convertido em relação ao motor original (Diesel) cresce à medida que são solicitadas potências mais elevadas. A vantagem econômica do motor com GN em relação ao motor com Diesel começa depois de 13,01 kw (0 % de economia), chegando até 23,65% para a carga máxima de 31 kw. Em relação aos testes feitos com o motor convertido para avaliar a composição dos gases de combustão, foram coletados dados em termos de percentuais de volume (% vol) e partes por milhão (ppm), e comparados com os limites estabelecidos pelo CONAMA para uma Ford Ranger 4.0. Os resultados são mostrados na Figura 6. 10,3 11,2 11,6 13,0 0,21 0,13 0,10 0,50 2,90 1,50 0,63 3, kw 20 kw 31 kw Limites do CONAMA CO 2 (% vol) CO (% vol) HC (ppm) O 2 (% vol) Figura 6: Concentrações limites de gases emitidos pelo motor convertido, operando a GN, e os respectivos limites máximos determinados pelo CONAMA.

6 Através da Figura 6 pode-se observar que a emissão de CO 2 aumenta gradativamente à medida que se promove o aumento de potência no motor convertido. Em relação às emissões de CO, O 2, e HC, foi verificado que todos estes componentes diminuem, à medida que a potência do motor aumenta. Nota-se, também, que dentro da faixa de potência considerada nos testes, todos os valores de concentração dos gases eliminados pelo motor convertido, ficaram abaixo do limite permitido pelo CONAMA. CONCLUSÃO: Apenas os resultados na economia de custo de combustível que se pode auferir, verificados no presente estudo, e que podem chegar a 23,65%, já justificariam a conversão de motores a diesel, de grupos geradores em indústrias, mesmo levando-se em conta a conseqüente queda na potência do motor, que no caso do presente estudo chegou, no máximo, a 30,74%. Outro estímulo para esta conversão está nos resultados apresentados com relação à redução de gases prejudiciais ao meio ambiente. Como se deduz da Figura 6, para todos os gases examinados, suas concentrações na saída do escape estão abaixo do limite permitido pelo CONAMA. Estas constatações, ganham novo incentivo quando se constata que o processo adotado de conversão tem tecnologia simples, de baixo custo, e é reversível. Desta forma, entende-se que sua aplicação deverá não limitar à indústria, podendo ser empregada na eletrificação de comunidades afastadas e não servidas pela rede elétrica. Neste caso, o combustível dos motores deverá ser o gás manufaturado, obtido a partir de gaseificadores de biomassa residual. A mesma equipe está se preparando para fazer os primeiros testes de funcionamento do motor convertido com o gás manufaturado. REFERÊNCIAS: 1. Energy Information Administration, EIA, Official Energy Statistics from the US Government. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: Arquivo capturado em 20 agosto de Aneel. BIG Banco de Informações de Geração Matriz de Energia Elétrica. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: OperacaoCapacidadeBrasil.asp. Arquivo capturado em 15 de março de Filho, H. P. PIB e consumo de energia - uma nova relação. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: Arquivo capturado em 21 de junho de Agência Nacional de Petróleo Brasil. Preço de Combustível no Brasil.. [online] Disponível na Internet via WWW. URL: Arquivo capturado em 15 de junho de 2007.