USO DO BIOGÁS COMO FONTE DE ENERGIA ELÉTRICA DE RESIDÊNCIAS, VI CAIM 2018

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1 USO DO BIOGÁS COMO FONTE DE ENERGIA ELÉTRICA DE RESIDÊNCIAS, VI CAIM 2018 Flávio Ferreira Freitas 1, Lílian Carla Ferreira Freitas 2 Ana Letícia Yegros Cuevas 3, Mayara Santos Teixeira 4 y Matheus Gonçalves Silqueira 5 1,2,4,5 Grupo de Excelência em Geração Termoelétrica e Distribuída Universidade Federal de Itajubá Av BPS 1303, Pinheirinho, Itajubá MG, , Brasil flaviofereirafreitas@gmail.com lilian.cffreitas@hotmail.com mayara_atre@hotmail.com tudooktheus@gmail.com 3 Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território Universidade Federal da Integração Latino-Americana Avenida Sílvio Américo Sasdelli, Vila Residencial A, Foz do Iguaçu PR, , Brasil cuevasana5514@gmail.com RESUMO A demanda por energias alternativas tem crescido muito nos últimos anos devido às oscilações do preço do petróleo e por uma maior preocupação com o meio ambiente. O biogás proveniente da digestão anaeróbia tem o objetivo de reaproveitar a matéria orgânica descartada e com isto, produzir energia, seja esta térmica ou elétrica. No caso deste estudo, procurou-se estudar o biogás em sua composição química, mas, também como o biogás pode contribuir na produção de energia elétrica. Com isto, calculou-se parâmetros estequiométricos de combustível em motores de combustão, bem como a quantidade de energia convertida. Além disto, pode-se estimar o rendimento de um grupo gerador para a conversão em energia elétrica e por fim, foi realizado um estudo de caso para quantificar o número de residências que poderia ser alimentado através da Granja de São Pedro Colombari em São Miguel do Iguaçu no estado do Paraná/Brasil. Palabras Claves: Biogás; Motor; Excesso de ar.

2 1. INTRODUÇÃO A energia obtida da biomassa vem se destacando cada vez mais no âmbito industrial e também no rural. Atualmente, a maior parte da energia gerada da biomassa é resultado da queima direta de matéria orgânica em usinas termelétricas [1]. O biogás, produzido a partir da digestão anaeróbia é considerado um processo renovável, limpo e permite reutilizar a biomassa in natura para gerar energia. Além do gás gerado no processo, tem-se como subproduto o biofertilizante que pode ser utilizado na agricultura como fertilizante natural. Tanto o biogás quanto o biofertilizante têm sido muito utilizados pelas famílias das zonas rurais, principalmente, para suprir suas necessidades energéticas, onde o biogás é utilizado para aquecimento, iluminação ou até mesmo em motores para gerar eletricidade, e o biofertilizante é usado para abonar o solo, segundo [2]. De acordo com [3], o aproveitamento do biogás para geração de energia térmica e elétrica a partir da biomassa residual é um fator de suma importância para a descentralização da geração de energia e renda. Assim, há um forte impacto na economia local causada pelo desenvolvimento energético devido à produção de energia através do biogás. A geração de energia deve ser medida em quilowatt hora, qualidade ambiental e desenvolvimento microeconômico local. Com isto, há um ganho indireto com a redução do conteúdo orgânico e com isto seu potencial poluente ao passo que gera biogás com razoável conteúdo energético. Conforme [4], a carga orgânica proveniente da geração de dejetos animais provocam passivos ambientais, tanto no que diz respeito à emissão de gases poluentes à atmosfera, como a contaminação do solo. Logo, a produção de biogás é um modo de reaproveitar os dejetos que podem contribuir de forma positiva desta maneira, nos meios socioeconômico e ambiental, fazendo uso de toda matéria gerada dentro de nossas próprias casas para a produção de gás combustível. O objetivo principal deste trabalho é realizar um estudo de viabilidade técnica para uma residência sustentável e localizada em um ambiente isolado de energia elétrica.

3 2. CARACTERIZAÇÃO E DISCUSSÕES O biogás é uma composição de gases onde o metano e o dióxido de carbono, estão em maiores proporções. O teor de cada componente do gás depende diretamente da matéria orgânica a ser degradada, bem como, as condições em que a decomposição anaeróbica ocorre. De acordo com [5], as substâncias não combustíveis no biogás, tais como, a água e o dióxido de carbono absorvem parte da energia gerada, prejudicando o processo de queima e reduzindo seu poder calorífico. Além destes, há também traços de nitrogênio, hidrogênio e enxofre, este último responsável por corroer materiais metálicos através do gás sulfídrico (H2S). Segundo [6] os motores de combustão interna de queima pobre requerem apenas secagem e filtragem do combustível sem a obrigatória remoção de traços de enxofre e dióxido de carbono. Desta maneira, levantamos através das necessidades energéticas da residência, o gás combustível requerido CONSUMO ENERGÉTICO RESIDENCIAL ELÉTRICO Para o presente projeto foi considerado uma residência para 4 pessoas, contendo: 1 cozinha; Área de lavagem; 2 salas; 3 quartos; 2 banheiros. Desta maneira, pode-se realizar o levantamento do consumo energético diário da residência através da Tabela 1: Tabela 1 Consumo Elétrico Residencial por Equipamento Aparelho Elétrico Potência (W) Quantidade (un.) Tempo de uso diário (h) Geladeira Microondas ,3 225 Ventilador Lavadora de roupas Televisão Liquidificador ,3 60 Secador de cabelos ,3 300 Computador Batedeira ,3 30 Ferro de passar roupa Energia consumida (Wh/dia) Lâmpadas Total 7615 Wh/dia

4 Outros gastos energéticos tais como o chuveiro com boiler a gás ou o próprio fogão para cocção de alimentos não serão considerados aqui, pois, estes não alimentam o motor de combustão interna para converter energia química do gás em energia elétrica CÁLCULO DA RAZÃO A/C A razão de equivalência λ é um fator importante no desempenho e nas emissões de motores de combustão interna, dado que mede o quão próximo está a razão entre ar/combustível real da estequiométrica. A relação estequiométrica ar/combustível é definida através da fórmula de combustão estequiométrica e para obtê-la em padrões reais seria extremadamente difícil. Na razão estequiométrica, o ar e o combustível injetados devem ser tais que todo o combustível que entra no processo deve ser oxidado de maneira que não sobre combustível ou agente oxidante. Neste caso haveria a combustão perfeita, essa mistura completamente homogênea entre o ar e o combustível é que torna difícil sua realização, desta forma, para o total aproveitamento do combustível normalmente injeta-se uma maior proporção de ar do que a estequiométrica para garantir que nos produtos de combustão não hajam combustíveis não-queimados. [7] descreveu a seguinte fórmula de combustão estequiométrica de hidrocarbonetos, como se percebe através da Equação (1): (1) (2): Para o gás metano CH4, principal combustível produzido pelo biogás tem-se na Equação (2) Disto a relação ar/combustível estequiométrica observa-se na Equação (3); percentual: Utilizando a mesma composição do biogás estudada por [8], tem-se a seguinte composição (3)

5 Tabela 1 Composição do Biogás (%) CH 4 CO 2 O 2 63, 7 36,1 0,2 Desta maneira a equação estequiométrica balanceada para a composição do gás da Tabela 1, através da Equação (4): (4) Recalculando a razão ar/combustível estequiométrica, não somente para o metano, porém, para o biogás, tem-se a partir da Equação (5): (5) A razão ar/combustível estequiométrica para o biogás varia de acordo com sua composição, de acordo com [9] para um biogás com 57% de metano esta razão é de 5,7, no entanto, segundo [10] para 60% de metano esta relação sobe para 6,1, por fim, para [11] esta relação sobe para 7,7 para uma concentração de metano de 67,5%. Assim, o valor encontrado por estar dentro dos parâmetros e limites citados é coerente, já que a quantidade de metano encontrado no biogás é diretamente proporcional à de ar para que ocorra a combustão completa do gás. Deste modo, os valores de excesso ou fator de ar estão intrinsicamente relacionados ao estado do combustível. Desta forma, a quantidade de excesso de ar diminui com o aumento da capacidade e com maior rendimento no equipamento de combustão. Assim, os valores típicos são: Gases: 0 a 10%; Líquidos: 2 a 30% Sólidos: >50% Assim, de acordo com [8] o fator de ar também é proporcional à % de carga que o motor deve operar com determinada razão de compressão. Desta forma, um motor operando a 100% de carga o fator de excesso de ar se aproxima ao valor unitário, mais precisamente conforme a Equação (6):

6 (6) Como também se percebe na tabela adiante: Tabela III Reação de combustão real para biogás, razão de compressão 10,2:1. Deste modo, pouco ou nada influi na equação estequiométrica. O biogás utilizado para este estudo é proveniente da decomposição da matéria orgânica de frutas cítricas e aves, além disto, o gás passou por um processo de purificação na empresa ECOCITRUS, Cooperativa dos Citricultores Ecológicos do Vale do Caí, situada na região de Montenegro, RS. Foram tomadas 3 amostras de biogás para avaliar seu poder calorífico, massa específica e composição percentual de gás metano em cada amostra, disto, tem-se a tabela abaixo: Tabela IV Determinação do Percentual de gás Metano, Poder Calorífico Inferior e Massa Específica do biogás utilizado nos testes. P = Pa e T = 295,15 K. Teste 1 Teste 2 Teste 3 CH 4 (%) 68,0 64,4 63,7 PCI (MJ/kg) 23,60 21,49 21,09 ρ (kg/m 3 ) 1,03 1,07 1,08 Fonte: [8]

7 O estudo foi realizado tendo em vista o uso de um gerador de eletricidade trifásico (220/380 VAC), 3600 rpm, 60 Hz, capacidade de 50 kva e fator de potência 0,8, com controle eletrônico de rotação, sendo acoplado a Motor VOLKSWAGEN, AP cilindros, adaptado para o uso de biogás e refrigerado com trocador de calor e aproveitamento do calor gerado para aquecimento de água. A demanda do conjunto motor-gerador é prerrogativa essencial na determinação da demanda de biogás necessária para alimentá-lo. Consoante [12, 13], para a alimentação deste conjunto é necessária uma alimentação constante de m 3 de biogás por hora. No entanto, para o estudo em questão foi considerado o maior valor requerido de biogás para garantir que não haja falta de energia elétrica e também o valor do Poder Calorífico Inferior do Teste 2, ao se tratar, de um teste com valores médios entre os outros dois realizados. Assim, calcula-se a eficiência do grupo motor-gerador conforme a Equação (7): (7) 2.3. ESTUDO DE CASO A Granja São Pedro Colombari localizada em São Miguel do Iguaçu no estado do Paraná, possui 5 mil suínos e produzem biogás desde 2006 A figura abaixo ilustra a produção de biogás a partir do dejeto suíno na granja, com a utilização do biodigestor. Figura 1 Biodigestor Canadense

8 Os biodigestores da granja são do tipo canadense e possui uma produção diária de biogás de aproximadamente 750 m 3. O biogás é usado para gerar energia elétrica no total diário de 1000 kwh e o biofertilizante é utilizado na lavoura e pastagem [14]. A figura que segue representa o manejo de suínos da Granja de São Pedro Colombari: Figura 2 Manejo de Suínos na Granja de São Pedro Considerando que o grupo moto-gerador tenha o mesmo rendimento do grupo estudado anteriormente, pode-se concluir que o poder calorífico do biogás produzido é segundo a Equação (8): (8) Este resultado demonstra que o biogás proveniente do dejeto suíno produzindo na Granja de São Pedro Colombari possui um Poder Calorífico Inferior menor do que aquele testado no cálculo do rendimento do grupo motor-gerador. Com esta quantidade de energia produzida e com o levantamento das cargas residenciais elétricas por equipamento, calcula-se a quantidade de habitações residenciais que poderiam ser alimentadas a partir da energia gerada pelo biogás.

9 Assim, tem-se conforme a Equação (9): (9) 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS O biogás é uma importante fonte energética e que possui um amplo potencial de crescimento e utilização. O Brasil, por ser um dos maiores exportadores de alimentos perde muito no que diz respeito em aproveitamento energético, um deles, é a partir do biogás. Como foi visto neste trabalho, a partir de uma única granja é possível alimentar mais de uma centena de casas, um pequeno bairro ou vilarejo de uma cidade. Isto deve ser visto como um fator multiplicador para outros empreendimentos energéticos. Além disto, pode-se perceber que o poder calorífico não é o mesmo para todo biogás produzido, este depende diretamente da qualidade do biogás, medida, principalmente pelos compostos combustíveis como C, H, S e subtraída do vapor de água que carrega parte da energia produzida. 4. REFERENCIAS [1] Atlas de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Energia Elétrica. ed. Brasília: Aneel, [2] CASTANHO, Diego Solak, ARRUDA, Heber Jobbins de. Biodigestores, f. VI Semana de Tecnologia em Alimentos Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, p. [4] KUCZMAN, O.; GOMES, S. D.; TAVARES, M. H. F.; TORRES, D. G. B.; ALCÂNTARA, M. S. Produção específica de biogás a partir de manipueira em reator de fase única. Eng. Agríc., Jaboticabal, v. 31, n. 1, Feb [5] COELHO, S. T.; VELÁZQUEZ, S. M.; PECORA, V.; DE ABREU, F. C. Geração de 40 energia elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento de esgoto, em XI Congresso Brasileiro de Energia, Rio de Janeiro, [6] SILVA, F.M. Sistema de alimentação de motores com duplo combustível-metano e diesel. Tese (Doutorado Mecânica). São Carlos: EESC/USP, 1995, 121f. [7] KORAKIANITIS, T.; NAMASIVAYAM, A.; CROOKES, R. Natural-gas fueled spark-ignition (SI) and compression-ignition (CI) engine performance and emissions, Progress in Energy and Combustion Science, vol. 37, pp , 2011.

10 [8] MACHADO, D. O. ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM MOTOR CICLO OTTO COM BIOGÁS. Universidade do Vale do Rio dos Sinos, Disponível em: < ado.pdf?sequence=1&isallowed=>. Acesso em: 28/04/2017. [9] PORPATHAM, E.; RAMESH, A.; NAGALINGAM, B. Effect of compression ratio on the performance and combustion of a biogas fuelled spark ignition engine, Fuel, vol. 95, pp , [10] BEDOYA, I. D.; SAXENA, S.; CADAVID, F. J.; DIBBLE, R. W.; WISSINK, M. "Experimental study of biogas combustion in a HCCI engine for power generation with high indicated efficiency and ultra-low NOx emissions," Energy Conversion and Management, vol. 53, pp , [11] LEMOS, M. V. D. Uso eficiente de biogás de esgoto em motores geradores. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Disponível em: < Acesso em: 05/05/2017. [12] OLIVEIRA, P.A.V. de; HIGARASHI, M.M. Geração e utilização de biogás em unidades de produção de suínos. Concórdia: Embrapa Suínos e Aves, (Documentos, 115). [13] SUZUKI, A. B. P.; FERNANDES; D. M.; FARIA, R. A. P.; VIDAL, T. C. M. Uso do Biogás em Motores de combustão interna. Revista Brasileira de Tecnologia Aplicada nas Ciências Agrárias, Guarapuava-PR, v.4, n.1, p , [14] Cibiogás. Energias Renováveis. Granja São Pedro Colombari. Disponível em: < Acesso em: 05/05/2017.