MARCELO COSTA FLORES VIABILIDADE ECONÔMICA DO BIOGÁS PRODUZIDO POR BIODIGESTOR PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ESTUDO DE CASO EM CONFINADOR SUÍNO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALFENAS UNIFAL - MG MARCELO COSTA FLORES VIABILIDADE ECONÔMICA DO BIOGÁS PRODUZIDO POR BIODIGESTOR PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ESTUDO DE CASO EM CONFINADOR SUÍNO Poços de Caldas/MG 2014

2 MARCELO COSTA FLORES VIABILIDADE ECONÔMICA DO BIOGÁS PRODUZIDO POR BIODIGESTOR PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ESTUDO DE CASO EM CONFINADOR SUÍNO Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Alfenas. Orientador: Prof. Dr. Marcos Vinícius Rodrigues. Poços de Caldas/MG 2014

3 FICHA CATALOGRÁFICA F634v Flores, Marcelo Costa. Viabilidade econômica do biogás produzido por biodigestor para produção de energia elétrica estudo de caso em confinador suíno./ Marcelo Costa Flores; Orientação de Marcos Vinicius Rodrigues. Poços de Caldas: fls.: il.; 30 cm. Inclui bibliografias: fls Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Química) Universidade Federal de Alfenas Campus de Poços de Caldas, MG. 1. Energias renováveis. 2. Biogás. 3. Biomassa. I. Rodrigues, Marcos Vinicius (orient.). II. Universidade Federal de Alfenas Unifal. III. Título. CDD 660.6

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5 AGRADECIMENTOS À Fazenda Santa Elisa, pela excelente recepção durante a visita e por toda informação fornecida. Ao orientador Dr. Marcos Vinícius Rodrigues pela oportunidade, pelo conhecimento compartilhado, pela orientação, pela confiança e paciência na realização do trabalho. À Dra. Giselle Patricia Sancinetti por toda colaboração e apoio na graduação. À minha companheira, Caroline de Paiva Gonçalves. À minha família, por toda motivação e por acreditar na minha competência. Ao amigo Walter Pomarico Neto, por toda ajuda na utilização das ferramentas financeiras. Ao engenheiro mecânico Juliano de Souza, pelas informações do motor-gerador. À Universidade Federal de Alfenas campus Poços de Caldas, pela oportunidade, e ensino de qualidade.

6 Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma. (Antoine Laurent de Lavoisier, 1773).

7 RESUMO A preocupação com a preservação ambiental, além da escassez e dos elevados preços de energias obtidas através de combustíveis fósseis motivou a procura por fontes renováveis. A grande produção agrícola do Brasil gera biomassa em abundância para ser utilizada como fonte renovável de energia. Dentre as diversas formas de biomassa, o dejeto de suínos é uma das mais abundantes e com maior potencial de produção de biogás. O biogás é o gás produzido nos biodigestores a partir da digestão anaeróbia. A sua composição varia de acordo com o tipo de biomassa utilizada e pode conter até 70% de gás metano (CH 4 ) que é altamente combustível, possui elevado poder calorífico e apresenta maior impacto de efeito estufa do que o dióxido de carbono. Neste contexto, um estudo de caso na Fazenda Santa Elisa mostrou a viabilidade econômica de utilizar o biogás para produzir energia elétrica. A produção de biogás representa um avanço para resolver o problema dos dejetos produzidos pela suinocultura e pode fornecer energia para as atividades do meio rural. A análise econômica desenvolvida neste trabalho demonstrou que o projeto de implantação do sistema de cogeração é viável seja com 1 ou 2 grupos de geradores, desde que o tempo de operação seja de 14 horas diárias. Palavras-chave: Energias Renováveis. Biomassa. Suínos. Biogás. Viabilidade econômica.

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A SUINOCULTURA EM SÃO PAULO BIODIGESTOR BIOFERTILIZANTE Ação do biofertilizante no solo BIOGÁS: ENERGIA RENOVÁVEL Utilização do biogás PRODUÇÃO DE ENERGIA NO BRASIL Biogás no Brasil MATERIAIS E MÉTODOS LOCALIZAÇÃO E DESCRIÇÃO DA PROPRIEDADE CAPACIDADE DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS EQUIVALÊNCIA ENERGÉTICA DO BIOGÁS ESPECIFICAÇÕES DO CONJUNTO MOTOR-GERADOR ANÁLISE ECONÔMICA RESULTADOS E DISCUSSÃO CENÁRIO 1 - MODIFICAÇÃO DO TEMPO DE OPERAÇÃO CENÁRIO 2 DOIS CONJUNTOS DE MOTOR-GERADOR CENÁRIO 3 MODIFICAÇÃO DA TARIFA DE ENERGIA CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 33

9 9 1. INTRODUÇÃO Os produtores rurais como importantes colaboradores para produção de alimentos necessitam de políticas que incentivem as suas atividades. Sabe-se, porém, que as zonas rurais ainda enfrentam escassez de energia para fins produtivos. A grande quantidade de biomassa proveniente das atividades agrícolas e a possibilidade de sua utilização para fins energéticos pode ser uma forma de obter energia elétrica no meio rural; além de reduzir o potencial poluidor, a utilização de recursos naturais e o custo da energia no valor final dos produtos (ANGONESE, 2006). A Empresa de Pesquisa Energética (EPE) prevê o crescimento médio de 4,3% no consumo de energia elétrica entre os anos de 2013 e 2023 no Brasil. Entre as regiões do país o aumento de consumo de energia elétrica por ano até 2023 a região Norte será responsável por 5,9%, Nordeste 4,3%, Sudeste/Centro-Oeste 4,0%, e a região Sul 3,9%. Estes dados serão utilizados para elaboração do Plano Nacional de Energia (PNE) que pretende oferecer instrumentos e alternativas de expansão do setor energético brasileiro nos próximos anos (CERPCH, online, 2014). Portanto, é necessário estimular e desenvolver novas fontes de energia para oferecer segurança energética ao país, além de substituir o uso de combustíveis fósseis. A biomassa, como fonte para geração de energia elétrica destaca-se devido o seu potencial em termos de natureza, origem, tecnologia de conversão e produtos energéticos. A conversão termoquímica, bioquímica ou físico-química da biomassa é uma etapa necessária para utilizá-la como fonte de energia. A conversão bioquímica utiliza processos biológicos e bioquímicos, pela qual através da digestão anaeróbia apresenta as melhores condições para geração de energia elétrica ao converter diretamente biomassa em biogás. A composição do biogás pode variar de acordo com a quantidade e o tipo de biomassa, dentre outros fatores, por exemplo, a temperatura e a umidade (BRASIL, 2007) OBJETIVO Este trabalho teve como objetivo identificar a viabilidade econômica da implantação de um sistema de geração de energia elétrica ao utilizar o biogás proveniente de resíduos da suinocultura. A simulação da conversão de biogás em energia elétrica foi realizada através de uma revisão bibliográfica aplicada como um estudo de caso realizado na Fazenda Santa Elisa localizada na zona rural da cidade de Águas da Prata - SP.

10 10 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. A SUINOCULTURA EM SÃO PAULO O estado de São Paulo está em sétimo lugar no ranking de produção de suínos no país, o qual representa 4,0% da produção nacional (Tabela 1). Tabela 1 - Rebanho suíno dos principais estados brasileiros. Estado Nº de cabeças Santa Catarina Rio Grande do Sul Paraná Minas Gerais Goiás Mato Grosso São Paulo Bahia Maranhão Piauí Outros TOTAL Fonte: Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE (2006). Devido importância da atividade para o contexto socioeconômico do Estado e do país, por agregar à produção, renda e emprego; o Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento promove políticas públicas para incentivar o setor. O Brasil, na produção e exportação da carne suína, está em quarto no ranking mundial. A média anual estimada para o crescimento da produção de suínos no Brasil, entre 2008 a 2018, é de 2,84%, e de exportação no mesmo período a estimativa é de 21% (ASEMG, 2010). 2.2 BIODIGESTOR O biodigestor é um equipamento usado para produção de biogás (mistura de gases produzidos por bactérias anaeróbias ao decompor a matéria orgânica). A matéria orgânica que alimenta o biodigestor possui um alto potencial energético e pode ser proveniente dos

11 11 resíduos e subprodutos das atividades agrícolas, agroindustriais, produção animal (esterco e urina), e da atividade humana (fezes, urina e lixo doméstico). O biodigestor pode ser operado de maneira contínua ou intermitente. O contínuo é o mais difundido no Brasil, por apresentar melhor adaptação à maioria das biomassas, enquanto o intermitente é específico para biomassas de decomposição lenta (COLDEBELLA, 2006) BIOFERTILIZANTE O efluente do biodigestor possui propriedades fertilizantes, além de água, o líquido de coloração escura, comumente conhecido como biofertilizante, possui nitrogênio, fósforo e potássio em quantidade e composição adequada, que pode ser utilizado diretamente na adubação das plantas (IPEC, 2008). O biofertilizante por ser um insumo barato e eficaz na fertilização do solo é uma alternativa para o produtor rural recuperar o solo e fornecer os nutrientes ausentes ou em baixa concentração necessários para o desenvolvimento das plantações Ação do biofertilizante no solo Uma das principais vantagens do biofertilizante é recuperar o solo desgastado, visto que possui ph em torno de 7,5 que funciona como corretor de acidez, dificulta a multiplicação de fungos maléficos, e intensifica a atividade das bactérias que conseguem fixar o nitrogênio atmosférico; essencial para o desenvolvimento e manutenção das atividades das plantas (ICLEI, 2009). O solo biofertilizado facilita a penetração das raízes e a absorção da água da chuva, impede a erosão e torna o solo mais úmido e mais poroso, e torna possível uma maior penetração de ar, o que proporciona melhores condições para o desenvolvimento das plantas BIOGÁS: ENERGIA RENOVÁVEL Para a produção do biogás não há necessidade de uma grande extensão de área, assim, ela pode ser destinada para outros fins como a produção de alimentos, o que não é possível, por exemplo, na produção de álcool a partir da cana-de-açúcar. O gás produzido pela digestão anaeróbia é renovável, abundante e pode ser obtido de diversas fontes (atividades agrícolas, agroindustriais, produção animal e das atividades humana). Os excrementos de animais são os

12 12 mais indicados para o processo de biodigestão, uma vez que, a decomposição é facilitada pelas bactérias anaeróbias provenientes dos seus intestinos (OLIVER, 2008). Através da digestão anaeróbia o principal gás obtido é o metano que pode constituir até 70% do biogás. O gás metano é incolor, apresenta elevado poder calorífico ( kcal m -3 ), altamente combustível, não produz fuligem, e o impacto de efeito estufa é 21 vezes maior do que o dióxido de carbono. A quantidade de metano obtido varia de acordo com a quantidade, o tipo de biomassa, clima, e dimensão do biodigestor. A Tabela 2 apresenta a composição do biogás. Tabela 2 Composição do biogás. Composição % Metano (CH 4 ) Dióxido de Carbono (CO 2 ) Nitrogênio (N 2 ) 0-7 Gás Sulfídrico (H 2 S) 0-3 Oxigênio (O 2 ) 0-2 Hidrogênio (H 2 ) 0-1 Amoníaco (NH3) 0-1 Monóxido de Carbono (CO) 0-0,2 Gases em menor concentração 0,01-0,6 Fonte: CETESB (2011) Utilização do biogás O biogás é um combustível gasoso com conteúdo energético semelhante ao gás natural. Obtido através da ação de determinadas espécies de bactérias pode ser utilizado para diversas aplicações (Figura 1).

13 13 Figura 1 - Principais opções para utilização do biogás. Fonte: COLDEBELLA (2006). A utilização do biogás independente da forma de energia obtida; elétrica, térmica ou mecânica requer equipamentos específicos e adaptados por se tratar de um gás gerado com fluxo de baixa pressão. A adaptação consiste em aumentar o diâmetro de vazão do injetor. Os geradores e os fornos são necessários pra transformar o biogás em energia elétrica ou térmica, respectivamente (COLDEBELLA, 2006). O interesse em utilizar o biogás é despertado por gerar renda, economia, e reduzir os impactos ambientais PRODUÇÃO DE ENERGIA NO BRASIL Através de uma análise elaborada pelo Balanço Energético Nacional (BEN) referente ao ano de 2013, a respeito da matriz energética do Brasil, as fontes não renováveis no país totalizam 54,7% (BEN, 2013). O histórico da oferta interna de energia em tep (tonelada equivalente de petróleo) mostra a participação das diversas fontes na produção de energia no Brasil (Gráfico 2).

14 Fontes primárias de energia (tep) Petróleo Gás natural Carvão vapor Carvão metalúrgico Energia hidráulica Urânio Lenha Caldo de cana Bagaço de cana Outras fontes primárias Eólica Gráfico 1 - Oferta interna de energia por fontes em tep. Fonte: Balanço Energético Nacional - BEN (2013). Nota-se que as atuais matrizes energéticas brasileiras ainda contribuem negativamente para o estado crítico do aquecimento global, ao liberar grande quantidade de CO 2 durante a sua queima. Além disso, sabe-se que uma das principais fontes de energia no Brasil provém da água (energia hidráulica) que pode ser afetada em caso de baixos índices de chuva. Portanto, para que o Brasil não sofra com a falta de energia elétrica e reduza o uso do petróleo, é importante diversificar a matriz energética dando espaço para outros tipos de fontes como a energia solar, a energia eólica, a energia das marés e a energia proveniente da biomassa Biogás no Brasil Desde 1970, com a crise energética do petróleo, a produção de energia através da utilização de biomassa ganhou destaque no Brasil. O meio rural através do aproveitamento de resíduos agropecuários é o principal responsável pela produção de biogás no país. A queima do metano presente no biogás reduz o impacto do efeito estufa e o transforma em algo de valor econômico. O Brasil possui nove usinas de biogás para produção de energia distribuída nos estados de São Paulo (3), Paraná (4) e Minas Gerais (2) (CEMIG, 2012).

15 15 O Programa de Incentivo às Fontes de Energia no Brasil (PROINFA) objetiva aumentar a participação de energias renováveis para geração de eletricidade com a colaboração de produtores independentes. Assim, novas oportunidades para implantação de sistemas de geração de energia elétrica utilizando biogás como fonte primária de energia podem ser implantadas para reduzir a participação na matriz energética do país de combustíveis fósseis e da água. A China comprovou desde a década de 70 com a instalação de 7,2 milhões de digestores que o biogás pode ser uma importante matriz para geração de energia. Estes biodigestores produziram um valor energético equivalente a cinco Itaipús ou 48 milhões de toneladas de carvão mineral (NEVES, 2010). O PROINFA criou em 2010 o Plano da Agricultura de Baixo Carbono (ABC), com a finalidade de destinar e ampliar os recursos para financiamento de custeio, comercialização e investimento para os produtores rurais adotarem técnicas agrícolas sustentáveis. A produção de biogás a partir da biodigestão de dejetos de animais foi englobado pelo ABC, e pretende tratar 4,4 milhões de metros cúbicos de dejetos, e evitar a emissão de 6,9 milhões de toneladas de CO 2 ao utilizar o biogás como fonte de obtenção de energia elétrica ou para aquecimento nas propriedades (MAPA, 2013).

16 16 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. LOCALIZAÇÃO E DESCRIÇÃO DA PROPRIEDADE Para desenvolver este trabalho foram coletadas informações na Fazenda Santa Elisa localizada no município de Águas da Prata, estado de São Paulo. A propriedade está localizada na divisa entre os Estados de São Paulo e Minas Gerais, e entre os municípios de Águas da Prata e Poços de Caldas, próxima à SP-342 (Figura 2). Figura 2: Localização da propriedade avaliada. Fonte: Mapa elaborado pelo autor Fazenda Santa Elisa, Águas da Prata-SP. A propriedade possui atividades de suinocultura, bovinocultura, agricultura, fábrica de ração e criação de cavalos. Conta com um rebanho de 600 porcas reprodutoras em ciclo fechado, e 300 porcas reprodutoras em criações de leitões, que somadas aos demais suínos chega ao total de animais. Na propriedade as porcas reprodutoras ficam no confinamento por cerca de 115 dias, e recebem até 3 quilos de ração balanceada duas vezes ao dia. O local possui espaço limitado para facilitar a alimentação adequada, permitir a observação e evitar brigas entre os animais. As instalações são mantidas em boas condições de higiene e limpeza. Depois do tempo determinado no confinamento que pode ultrapassar até 4 dias, elas são transferidas para o

17 17 local onde os filhotes vão nascer. Nesta fase as matrizes consomem cerca de 8 quilos de ração. Os dejetos dos suínos são conduzidos para um biodigestor com 11x26x5 m de largura, comprimento e profundidade, respectivamente. Toda a água utilizada para limpeza diária das salas de confinamento, terminação, e berçário também é encaminhada para o biodigestor. Como produto da biodigestão é obtido o biogás, e como efluente o biofertilizante. O biofertilizante é encaminhado para uma lagoa de armazenamento para posteriormente ser bombeado para a plantação de milho na mesma propriedade. O biogás chega na chaminé através de uma tubulação ligada ao biodigestor, e logo após é queimado. A Figura 3 mostra todo o sistema que a propriedade possui. Figura 3 Sistema de tratamento dos resíduos existente na propriedade. Fonte: Fotos tiradas pelo autor Fazenda Santa Eliza, Águas da Prata SP. O biodigestor e a chaminé são de propriedade da empresa Brascarbo que realizou um acordo em implantar todo sistema sem nenhum custo para o proprietário, e com isso obter crédito de carbono com o direito de queimar o biogás por 10 anos. O acordo termina em 2015, e a partir de então, o biogás poderá ser utilizado pelo produtor para gerar energia elétrica.

18 CAPACIDADE DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS A produção do biogás depende da fonte de matéria orgânica e da quantidade de animais. Para os suínos, os dejetos de cada fase do desenvolvimento do animal são responsáveis por determinada produção de biogás como mostra Tabela 3. Tabela 3 Impacto na produção do biogás de acordo com a fase de desenvolvimento. Espécie Suínos Unidade de referência Porca reprodutora em ciclo fechado Porca reprodutora em criação de leitões Porco em exploração de engorda Produção específica de biogás (m³/kg) Produção diária (m³/animal/dia) 0,45 0,866 0,45 0,933 0,45 0,799 Fonte: SANTOS (2000) EQUIVALÊNCIA ENERGÉTICA DO BIOGÁS De acordo com Coldebella (2006), devido o elevado teor de metano no biogás que pode variar entre 50 e 70%, o metro cúbico de biogás pode gerar 0,670 kwh de energia elétrica. A Tabela 4 mostra a equivalência energética do biogás com outras fontes de energia. Tabela 4 Equivalência energética do biogás em relação à outras fontes energéticas. Energético FERRAZ E MARIEL (1980) SGANZERLA (1983) NOGUEIRA (1986) COLDEBELLA (2006) Gasolina [L] 0,61 0,613 0,61 - Querosene [L] 0,58 0,579 0,62 - Diesel [L] 0,55 0,553 0,55 - GLP [kg] 0,45 0,454 1,43 - Álcool [L] - 0,79 0,80 - Carvão M. [kg] - 0,735 0,74 - Lenha [kg] - 1,538 3,50 - Eletricidade [kwh] 1,43 1,428-0,67 Fonte: Adaptado de COLDEBELLA (2006).

19 19 O biogás utilizado por Coldebella (2006) para realizar o trabalho foi oriundo de um biodigestor com resíduos da suinocultura, e a equivalência energética obtida por ele foi utilizada neste trabalho ESPECIFICAÇÕES DO CONJUNTO MOTOR-GERADOR Motores e geradores destinados à conversão do biogás em energia já são encontrados para atender a pequena ou grande escala de produção. A transformação do biogás em energia para média produção é realizado por algumas empresas através da adaptação de motores à gasolina ou diesel para funcionar com o biogás. A Fazenda Santa Elisa, enquadra-se como uma média produtora de biogás, maior que 1000 m³dia -1 e menor que m³dia -1. Assim, para obter dados mais próximo possíveis da realidade, e conseguir obter o tipo de conjunto de motor-gerador recomendado para sua demanda diária de produção de biogás foi realizada uma visita na Granja Beira Rio, que produz cerca de 5200 suínos e já possui o sistema de cogeração a partir do biogás, e portanto, escolhida por possuir um perfil semelhante à Fazenda Santa Elisa. A potência dos motores geradores, e as instalações elétricas e físicas devem ser dimensionadas corretamente para o sucesso da unidade geradora de energia movida à biogás. A granja Beira Rio está localizada no município de Andradas em Minas Gerais, próxima a Casa São Geraldo. Ela possui um conjunto de motor-gerador adaptado e destinado à produção de energia a partir do biogás proveniente de dejetos suínos. A empresa brasileira Biogás Motores Estacionários LTDA foi responsável pelo projeto de implantação e escolha do conjunto motor-gerador nesta propriedade. O conjunto motor-gerador é formado por um motor anteriormente movido à diesel adaptado para o biogás acoplado à um gerador de energia elétrica. O funcionamento é monitorado por um quadro de comando. O motor de marca Mercedes 1, 4.9 L, 128 HP, a diesel, acoplado à um gerador da marca Kcel, modelo 180 LB, com capacidade de 47,5 kw. Todo conjunto pode ser visto na Figura 4. 1 As marcas e modelos citados neste trabalho não é uma exigência comercial, apenas pretende descrever com maiores detalhes o sistema de cogeração.

20 20 QUADRO DE COMANDO GERADOR MOTOR Figura 4 Conjunto motor-gerador da Granja Beira Rio. Fonte: Foto tirada pelo autor Granja Beira-Rio, Andradas-MG. Todo este sistema possui uma etapa de filtragem do biogás antes de ser injetado no motor para que os equipamentos não sofra a corrosão causada pelo gás sulfídrico (H 2 S). Assim, um sistema com 20 tambores plásticos preenchidos com pequenos pedaços de ferro e ligados através de tubulações de PVC são responsáveis por esta etapa. Este sistema foi uma adaptação realizada pelos próprios funcionários da granja com orientação da empresa, após constatarem que o motor precisava realizar manutenção constantemente quando ainda utilizava o filtro original do projeto. A Figura 5 ilustra o sistema de filtragem. Figura 4 Sistema de filtragem do biogás. Fonte: Foto tirada pelo autor Granja Beira-Rio, Andradas-MG.

21 21 A instalação da casa de máquinas deve ser ampla para ser possível realizar manutenções e proporcionar boa ventilação para não afetar o desempenho do motor-gerador (Figura 6). Figura 6 Instalação da casa de máquinas. Fonte: Foto tirada pelo autor Granja Beira-Rio, Andradas-MG. Após a geração de energia, a eletricidade é distribuída para toda a propriedade. Quando a produção de biogás não é suficiente para atender a demanda de consumo do motorgerador, a chave no painel de controle elétrico possibilita modificar o fornecimento de energia, de tal modo que a propriedade utilize a linha de transmissão da distribuidora de energia. As instalações elétricas e o painel de controle são elaborados como mostra a Figura 7. Figura 7 Painel de controle elétrico. Fonte: Foto tirada pelo autor Granja Beira-Rio, Andradas-MG.

22 ANÁLISE ECONÔMICA Considerando condições ideais de operação e manutenção, o biodigestor pode injetar biogás no gerador durante todo o ano. O conjunto motor-gerador da Granja Beira-Rio funciona em média 10 horas por dia, este valor foi adotado para os cálculos que consideram o tempo de operação. Os cálculos foram realizados com uma taxa de desconto do Plano da Agricultura de Baixo Carbono, que possui taxa de juros 5% ao ano e com prazo de pagamento de 5 a 15 anos (MAPA, 2013). O biodigestor é constantemente alimentado pelos dejetos e produz biogás diariamente. Deste modo a produção anual de biogás pode ser dada pela eq.(1): (1) Onde, P AB - produção anual de biogás, [m 3 ano -1 ]; P DB - produção diária de biogás, [m 3 dia -1 ], e T D - disponibilidade anual da planta, [dias ano -1 ]. De acordo com o fornecedor do grupo gerador, o consumo específico de biogás é de 60 m³/h, este valor representa o volume de biogás que deve ser consumido para gerar energia através do conjunto motor-gerador. A propriedade funciona durante 10 horas diariamente, o consumo anual de biogás pelo gerador pode ser dado pela eq.(2): (2) Em que, C AB - consumo anual de biogás, [m 3 ano -1 ]; C EB - consumo específico de biogás pelo motor-gerador, [m 3 h -1 ], e T D - disponibilidade anual da planta, [h ano -1 ]. Considerando a quantidade de energia produzida de acordo com o consumo anual do grupo gerador e a tarifa de energia elétrica obtém-se o benefício que é interpretado como a redução do valor que é passado para distribuidora, e pode ser obtido pela eq.(3): (3)

23 23 Na qual, B GEE - benefício com a geração de energia elétrica, [R$ ano -1 ]; EE P - energia elétrica produzida, [kwh ano -1 ]; T EE - tarifa de energia elétrica, [R$ kwh -1 ]. Para implementar o sistema de cogeração de energia é necessário um investimento inicial para compra e instalação dos equipamentos. A equação 4 fornece a estimativa do investimento inicial. (4) Onde, II - investimento inicial, [R$]; CM - custos com materiais e equipamentos, [R$], e MO - custos com mão de obra, [R$]. O método de depreciação utilizado foi o da depreciação linear, descrito por Bauer (2008), pelo qual a depreciação dos custos fixos ou variáveis é avaliada conforme mostra a eq.(5): (5) Em que, D - depreciação anual, [R$ ano -1 ]; C i custos com materiais depreciáveis, [R$]; C f valor final do ativo, [R$], e; V u vida útil, [ano]. Os juros sobre o capital investido foram determinados em relação ao capital médio durante a vida útil dos bens, a uma taxa de juros de 5,00% ao ano, e segundo o método descrito por Bauer (2008) dado pela equação 6 os juros pode ser obtido por: (6) Para a qual; J - juros sobre capital investido, [R$ ano -1 ] ;

24 24 Vi - valor total do investimento, [R$]; Vf - valor final do ativo, [R$]; r - taxa de juros, [% ano -1 ]. Os custos com a manutenção dos equipamentos consideram o intervalo de manutenção dos componentes e os valores cobrados pelos técnicos responsáveis. Portanto, o gasto anual pode ser obtido utilizando-se a eq.(7): (7) Para qual, G M - gastos com a manutenção, [R$ ano -1 ]; T - tempo de operação, [h ano -1 ]; I M - intervalo de manutenção dos componentes, [h], e A T - assistência técnica, [R$]. Os custos anuais do sistema foram determinados considerando-se os custos fixos referentes à depreciação, aos juros sobre o capital investido; e os custos variáveis referentes à manutenção e à operação. A partir dos custos e benefícios obtidos é possível determinar o fluxo de caixa do projeto e realizar a análise de viabilidade econômica por meio do Valor Presente Líquido (VPL), da Taxa Interna de Retorno (TIR) e pelo Período de Retorno do Capital (Payback). O valor presente líquido (VPL) indica o quanto um processo é viável durante sua vida útil, é dado pela diferença entre o valor atual dos benefícios e dos custos. Caso o VLP seja positivo, implica que o investimento inicial foi recuperado, e quanto maior o seu valor mais atrativo é o investimento. O projeto que apresenta a taxa interna de retorno (TIR) maior que a taxa mínima de atratividade é viável. É necessário anular o VLP (equação 8) para obter a taxa interna de retorno, como mostra a eq.(9): ( ) (8) ( ) (9) Em que,

25 25 Bi - benefício do projeto, em unidades monetárias, no [ano i ]; Ci - custo do projeto, em unidades monetárias, no [ano i ]; r - taxa de desconto, [%a.a]; i - contador de tempo, em [ano], e n - período de vida útil do investimento, em [ano]. O objetivo do método do Período de Retorno do Capital é obter tempo de retorno do valor investido, para isso o somatório do fluxo de caixa deve ser igual ao investimento inicial (BAUER, 2008).

26 26 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fazenda Santa Elisa possui 600 porcas reprodutoras em ciclo fechado, 300 porcas reprodutoras em criações de leitões; e considerando os suínos como porcos em exploração de engorda a produção estimada de biogás é de 4.075,4 m³ biogás /dia. A produção de biogás depende das condições operacionais do biodigestor. O conjunto motor-gerador funcionará em média 10,0 horas dia -1 durante 360 dias, o que totaliza horas de operação por ano. A produção de biogás é de ,8 m³ ano -1, no entanto, apenas 16,9% deste volume foi considerado, pois a capacidade de consumo do conjunto motor-gerador é de apenas m³ ano -1. O investimento inicial e os custos anuais de operação foram estabelecidos de acordo com informações fornecidas pela propriedade Granja Beira Rio. Os materiais e equipamentos (conjunto motor-gerador) foram avaliados em R$ ,00. Ainda como investimento foi considerado a construção da casa de máquinas estimada em 8%, mão de obra considerou-se 7%, e para as instalações elétricas 10%, todos estimados em relação ao valor do grupo gerador. A Tabela 5 apresenta os valores obtidos. Tabela 5 Valores obtidos para os investimentos. Investimento Valor (R$) Aquisição do grupo gerador ,00 Construção do biodigestor (1) -- Construção do abrigo do grupo gerador 2.560,00 Instalações elétricas 3.200,00 Mão de obra para implantação 2.240,00 Total ,00 (1) Biodigestor foi cedido pela Brascarbo. A avaliação dos custos do sistema foi realizada de forma anual e considerou os custos de depreciação, os juros sobre o capital, e os custos de operação e manutenção. A depreciação representa a desvalorização dos bens da propriedade, que perdem valor com o passar do tempo, os quais são denominados de bens depreciáveis. Os bens depreciáveis avaliados foram: equipamentos, máquinas e edificações. A Tabela 6 apresenta os dados obtidos.

27 27 Tabela 6 Depreciação dos bens depreciáveis. Equipamento/Material Abrigo do conjunto motor-gerador Valor inicial (R$) 2.560,00 Valor Final (2) (R$) Vida útil (ano) Depreciação (R$/ano) 128,00 Instalações elétricas 3.200, ,00 Grupo gerador , ,00 Total , ,00 Fonte: Tempo de vida útil de acordo com CERVI (2010). (2) Não foi considerado o valor final, pois os valores de revenda não foram obtidos. Os juros obtidos para o capital investido estão representados na Tabela 7. Tabela 7 Juros sobre o capital de investimento. Equipamento/Material Abrigo do conjunto motor-gerador Valor inicial (R$) 2.560,00 Valor Final (3) (R$) Taxa de juros (%/ano) -- 5,00 Juros (R$/ano) 64,00 Instalações elétricas 3.200, ,00 80,00 Grupo gerador , ,00 800,00 Total , ,00 (3) Não foi considerado o valor final, pois os valores de revenda não foram obtidos. Os custos já inclusos o valor da assistência técnica provenientes da manutenção do grupo gerador estão descritos na Tabela 8. Tabela 8 Manutenção do conjunto motor-gerador. Óleo lubrificante Filtro de óleo Componente Sistema de combustível Intervalo (horas) Troca de óleo a cada 100 horas Troca de filtro de óleo a cada 400 horas Limpeza dos filtros a cada 200 horas Limpeza da válvula de gás a cada horas Custo de Operação e Manutenção (R$) (continua) Custo anual de Operação e Manutenção (R$) 100, ,00 82,00 639,60 25,00 390,00 25,00 390,00

28 28 Tabela 8 Manutenção do conjunto motor-gerador. Componente Intervalo (horas) Filtro de ar (4) Limpeza a cada horas Troca do filtro de ar a cada horas Sistema de Refrigeração Troca do líquido refrigerante, da correia dentada e do esticador da correia a cada horas Alternador Troca da correia e do jogo de velas a cada horas Troca dos rolamentos a cada horas Rolamento do gerador Lubrificar a cada horas Total Custo de Operação e Manutenção (R$) (conclusão) Custo anual de Operação e Manutenção (R$) ,00 842,40 240,00 748, , , ,80 Fonte: Valores fornecidos pelo mecânico da Granja Beira Rio. Estimativa para tempo de troca de acordo com CERVI (2010). (4) Valor de manutenção desconsiderado devido o material filtrante ser cedido por uma metalúrgica da região. O custo para manutenção e operação do sistema, ao desconsiderar a mão-de-obra, por se tratar de um sistema simples que precisa apenas da ignição e desligamento do motor, e que pode ser realizada por um funcionário que já trabalha na propriedade chegou a R$ 6.754,80. A Tabela 9 resume o valor dos custos totais para operar o sistema. Tabela 9 Custos totais de operação do sistema de cogeração. Itens de Custo (R$/ano) Depreciação 3.648,00 Juros 944,00 Manutenção preventiva do grupo gerador 6.754,80 Mão de obra para operação do sistema -- Total ,80

29 29 O conjunto motor-gerador de acordo com as estimativas é capaz de produzir kwh/ano ao consumir m³ano -1 de biogás. O grupo gerador é o bem adquirido de maior valor econômico, sendo assim, a sua vida útil que corresponde à 10 anos foi utilizada para elaborar o fluxo de caixa do projeto, com taxa de desconto de 5,00% ao ano. Com a operação de 10 horas por dia, os benefícios anuais obtidos foram de R$ ,24 e custos anuais de R$ ,80 2, e fluxo de caixa de R$786,96 do primeiro ao décimo ano. A data zero corresponde ao valor do investimento inicial de R$ ,00. De acordo com estes dados, os indicadores de viabilidade econômica apresentam resultados economicamente inviáveis (Tabela 11), e, portanto, nas condições adotadas o sistema de cogeração não deverá ser implantado. Neste contexto, foram simulados diversos cenários para produção de energia elétrica CENÁRIO 1 - MODIFICAÇÃO DO TEMPO DE OPERAÇÃO O tempo de operação está estritamente relacionado com o custo de manutenção do grupo gerador e com a produção de energia elétrica. Foi escolhido o tempo de operação de 10,11, 12, 13 e 14 horas para a simulação (Tabela 10). Tabela 10 - Valor do custo de manutenção do grupo gerador em relação ao tempo de operação. Tempo de operação do gerador (h/dia) Custo com manutenção (R$/ano) , , , , ,72 Os resultados mostraram que o investimento é viável economicamente, quando o período de utilização da planta for de 14 horas por dia, quando a produção atinge ,00 2 Nos custos para o fluxo de caixa não é considerado os juros sobre o capital, pois o fluxo de caixa já é descontado por uma taxa de desconto.

30 30 kwh/ano com valor de VLP de R$ 2.741,47, TIR de 6,39% e PRC de 7,23 anos. Os resultados obtidos com simulação estão na Tabela 11. Tabela 11 Simulação da produção de energia com variação do tempo de operação. Produção de Energia (kwh/ano) Tempo de operação (h/dia) Benefício (R$/ano) Custo (R$/ano) VPL (R$) TIR (% a.a) PRC (ano) , , , ,63-5,39% , , , ,61-2,03% , , , ,58 1,00% 10, , , , ,55 3,79% 10, , , , ,47 6,39% 7,23 Os benefícios totais para 14 horas por dia de operação foram estimados em R$ ,94 ao ano, e os custos totais foram de R$ ,72 a cada ano. A Fazenda Santa Elisa, propriedade de estudo, consome em média kwh/mês, e ao produzir energia, o produtor interromperia a transferência de renda para a concessionária de energia. A propriedade está classificada com tarifa rural (B2), e o preço estabelecido pela Companhia de Força e Luz (CPFL) é de 0,092 R$/kWh. Assim, a propriedade consome anualmente kwh de energia que corresponde ao valor de R$ ,00 por ano. A utilização do biogás como fonte de energia ao considerar o cenário adequado (T o = 14 h/dia) reduziria em 52,0% o valor da tarifa anual a ser paga pela propriedade. Sabe-se, que esta redução no valor da tarifa pode ser ainda mais significativa, pois o potencial de produção de biogás da propriedade é muito maior que o volume que apenas um conjunto motor-gerador consegue consumir CENÁRIO 2 DOIS CONJUNTOS DE MOTOR-GERADOR Foi simulada a instalação de dois motores-geradores com as mesmas características de desempenho e manutenção (Tabela 12).

31 31 Tabela 12 - Simulação da produção de energia para diferentes tempo de operação ao utilizar 2 motores-geradores. Produção de Energia (kwh/ano) Tempo de operação (h/dia) Benefício (R$/ano) Custo (R$/ano) VPL (R$) TIR (% a.a) PRC (ano) , , , ,26-5,39% 13, , , , ,21-2,03% 11, , , , ,16 1,00% 10, , , , ,11 3,79% 10, , , , ,94 6,39% 7,23 Os dados mostram que o investimento é viável economicamente, quando o período de utilização da planta for de 14 horas por dia, quando a produção atinge ,00 kwh/ano com valor de VLP de R$ 5.482,94, TIR de 6,39% e PRC de 7,23 anos. Nestas condições, a propriedade tornar-se-ia autossuficiente em energia com lucro anual de R$ ,43. A Companhia de Força e Luz (CPFL), responsável na transmissão de energia para a propriedade, estabelece o preço de 0,092 R$/kWh. A propriedade consome anualmente kwh de energia que corresponde ao valor de R$ ,00 por ano. De acordo com SOUZA et al. (2004), um dos parâmetros importantes para o sucesso do investimento é a tarifa de energia paga pelo produtor CENÁRIO 3 MODIFICAÇÃO DA TARIFA DE ENERGIA Os resultados da simulação da tarifa cobrada por uma distribuidora hipotética (H) contra a tarifa cobrada pela Companhia de Força e Luz (CPFL), sendo a tarifa da H de 0,192 R$/kWh e da CPFL de 0,092 R$/kWh estão na Tabela 13. Tabela 13 Viabilidade econômica para diferentes tarifas. Distribuidora Quantidade de grupo gerador CPFL 1 H 1 Tempo de operação (h/dia) Benefício (R$/ano) Custo (R$/ano) VPL (R$) TIR (% a.a) PRC (ano) , , ,63-5,39% , , ,47 6,39% 7, , , ,32 42,17% 2, , , ,00 64,03% 1,55 Portanto, quanto maior o tempo de operação e do valor da tarifa de energia, mais atraente é o investimento.

32 32 5. CONCLUSÃO A utilização do biogás não deve ser tratada apenas como um interesse econômico, ao utilizá-lo como fonte de energia elétrica nos motores de combustão, ou ainda, apenas queimálo evita a emissão de gás metano para a atmosfera que possui maior potencial de poluição comparado ao dióxido de carbono. A Fazenda Santa Elisa possui um elevado potencial de produção de biogás, aproveitar este recurso para produzir energia pode reduzir a tarifa cobrada pela distribuidora e ainda contribuir com a conservação do meio ambiente. As simulações mostraram que ao considerar 14 horas de operação diária, quando o sistema de cogeração for constituído por 2 conjuntos de motores geradores a propriedade tornara-se autossuficiente em energia e o investimento é viável, no entanto, o investimento em apenas 1 conjunto de motor gerador para as mesmas 14 horas de operação não é invalidado, de modo que reduzirá em 52% o valor da tarifa anual de energia paga pela propriedade, e mostraram também que o investimento torna-se mais interessante quanto maior for o valor da tarifa.

33 33 REFERÊNCIAS ANGONESE, A.; CAMPOS, A. T.; ZACARKIM, C. E. Eficiência energética de sistema de produção de suínos com tratamento dos resíduos em biodigestor. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.10, n.3, p , jul./set ASSOCIAÇÃO DOS SUINOCULTORES DE MINAS GERAIS ASEMG. Suinocultura em Minas Gerais Disponível em: < UFMG-IMA-ASEMG-Resumo-novembro2011.pdf>. Acessado em 12 de Maio de BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL BEN. Balanço energético Disponível em: < _Ano_Base/1_-_BEN_Portugues_-_Inglxs_-_Completo.pdf>.Acesso em 5 de Maio de BAUER, U. R. Matématica Financeira Fundamental. São Paulo: Atlas, BRASIL. Ministério de Minas e Energia - MME. Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético. Plano Nacional de Energia. Brasília, DF, CEMIG. Companhia Energética de Minas Gerais. Alternativas Energéticas: uma visão Cemig. Belo Horizonte, CERPCH. Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas. EPE: Consumo de energia vai crescer 4,3% ao ano Disponível em: Acessado em: 20 Jan CERVI, R.G; ESPERACINI, M.S.T; BUENO, O.C. Viabilidade econômica da utilização do biogás produzido em granja suínícola para geração de energia elétrica. Eng. Agríc., Jaboticabal, v.30, n.5, p , set./out CETESB SECRETARIA DO MEIO AMBIENTE DE SÃO PAULO. Biogás. Disponível em: < em 10 Janeiro de COLDEBELLA, A.Viabilidade do uso do biogás da bovinocultura e suinocultura para geração de energia elétrica e irrigação em propriedades rurais. Paraná, Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) Centro de Ciências exatas e Tecnologia, Universidade Estadual do Oeste do Paraná.

34 34 ICLEI -Governos Locais pela Sustentabilidade, Secretariado para América Latina e Caribe. Manual para aproveitamento do biogás: aterros sanitários. São Paulo, IPEC Instituto de Permacultura e Ecovilas do Cerrado. O hectare. Goiás, INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSCA - IBGE. Censo Agropecuário. Disponível em: < Acessado em 20 de Março de MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO MAPA. Secretaria de Política Agrícola - Plano agrícola e pecuário 2013/ NEVES, V.L.T. Construção de biodigestor para produção de biogás a partir da fermentação de esterco bovino. Tese (Graduação em Tecnologia em Bicombustíveis) Faculdade de Tecnologia, Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, Araçatuba, OLIVER, A.P.M. Manual de tratamento em biodigestão. Brasil: USAID Agência dos Estados Unidos para o Desenvolvimento Internacional, SANTOS, P. Guia técnico de biogás. Portugal: Centro para a Conservação de Energia, SOUZA, S.N.M.; PEREIRA, W.C.; NOGUEIRA, C.E.C.; PAVAN, A.A.; SORDI, A. Custo da eletricidade gerada em conjunto motor-gerador utilizando biogás da suinocultura. Acta Scientiarum Technology, Maringá, v.26, p , 2004.