SEMINÁRIO FLUMINENSE DE BIOCOMBUSTÍVEIS E BIOMASSA

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1 SEMINÁRIO FLUMINENSE DE BIOCOMBUSTÍVEIS E BIOMASSA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE BIOCOMBUSTÍVEIS EM MOTORES ESTACIONÁRIOS PROF. ROBERTO G. PEREIRA E.mail: [email protected]

2 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE BIOCOMBUSTÍVEIS EM MOTORES ESTACIONÁRIOS Prof. Dr. Roberto Guimarães Pereira Universidade Federal Fluminense - UFF Professor do Departamento de Engenharia Mecânica TEM/UFF Professor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (Mestrado e Doutorado) PGMEC/UFF Professor do Mestrado em Sistemas de Gestão LATEC/UFF Chefe do Laboratório de Termociências LATERMO/UFF Chefe do Laboratório de Reologia LARE/UFF Organizador do Grupo de Pesquisa em Reologia, Energia e Meio Ambiente REMA/UFF: Membro da International Solar Energy Society (ISES) Membro da Society of Rheology (SOR) Membro Emérito da Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas (ABCM) Membro da Sociedade Brasileira de Metrologia (SBM) E.mail: [email protected]

3 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE BIOCOMBUSTÍVEIS EM MOTORES ESTACIONÁRIOS ANTECEDENTES INFRA-ESTRUTURA FUNDAMENTAÇÃO: biodiesel; normas; caracterização físico-química de biocombustíveis ESTUDO DE CASO 1: motor de 2 kw ESTUDO DE CASO 2: motor de 50 kva

4 GRUPO DE PESQUISA EM REOLOGIA, ENERGIA E MEIO AMBIENTE - REMA (PLANTAÇÃO DE OLEAGINOSAS, PRODUÇÃO DE BIODIESEL, CARACTERIZAÇÃO DO BIODIESEL, GERAÇÃO DE ENERGIA EM MOTORES E ANÁLISE DE EMISSÕES)

5 REMA: COLABORADORES Prof. Dr. Roberto Guimarães Pereira (organizador) TEM/UFF, e.mail: Prof. Dr. Domingos de Farias Brito David TEM/UFF Prof. Dr. Roney Leon Thompson TEM/UFF Prof. Dr. Ednilton Tavares de Andrade TER/UFF Prof. Dr. Geraldo Martins Tavares TEE/UFF Prof. Dr. Roger Matsumoto Moreira TDT/UFF Prof. Dr. Carlos Eduardo Fellows IF/UFF Prof. Dr. Raimundo Nonato Damasceno IQ/UFF Prof. Dr. Gilberto Alves Romeiro IQ/UFF Prof. Dr. Cesar Dantas de Oliveira IQ/UFF Profa. Dra. Ana Torres Seroa da Motta TAQ/UFF Prof. Dr. Antonio Ferreira da Hora - TER/UFF Prof. M.Sc. Dario de Andrade Prata Filho - TER/UFF Prof. Ivenio Moreira da Silva - TER/UFF Pesquisador em Pós-doutorado: Cleber Couto da Costa Alunos de: graduação (Erich Moreira dos Santos), mestrado (Ivenio Moreira da Silva), doutorado (Fernando Luiz Barbuda de Abreu, Dalni Malta do Espírito Santo Filho, Oscar Edwin Piamba Túlcan)

6 REMA: INFRA-ESTRUTURA I. Laboratório de Reologia (LARE) - Local: Sala 211, Bloco E da Escola de Engenharia, Tel / Responsável: Prof. Roberto Guimarães Pereira - Áreas da Atuação: Estudo e Caracterização Reológica de Materiais II. Laboratório de Termociências (LATERMO) - Local: Sala 206, Bloco E da Escola de Engenharia, Tel / Responsável: Prof. Roberto Guimarães Pereira - Áreas da Atuação: Caracterização Físico-Química de Materiais; Tecnologia Ambiental e Energia,

7 INFRA-ESTRUTURA (continuação) III.Laboratório de Conversão (LABCON) - Local: Instituto de Química - Responsável: Prof. Gilberto Alves Romeiro -Área de atuação: Estudo e desenvolvimento da tecnologia de Conversão a Baixa Temperatura. Geração de óleo e carvão a partir de biomassas e resíduos. Caracterização de materiais IV. Laboratório de Geração Distribuída/Biodisel (LABGED) - Local: Campus da UFF (Gragoatá) - Responsável: Prof. Geraldo Martins Tavares - Áreas de atuação: Pesquisa e desenvolvimento de novos produtos e tecnologias na área de geração distribuída de energia

8 INFRA-ESTRUTURA (continuação) V. Laboratório de Espectroscopia e Laser (LEL) - Local: Instituto de Física da UFF - Responsável: Prof. Carlos Eduardo Fellows -Áreas de atuação: Espectroscopia Molecular em fase gasosa; Física de Lasers. VI.Unidade Piloto de Conversão a BaixaTemperatura (UNIPI) -Local: Magé RJ -- Responsáveis: Prof. Gilberto Alves Romeiro e Prof. Roberto Guimarães Pereira - Áreas de atuação: Geração de óleo e carvão utilizando diferentes biomassas e resíduos

9 INFRA-ESTRUTURA (continuação) VII. Laboratório de Dinâmica dos Fluidos Computacional LabCFD, LabCAD - Local: Sala 563A, Bloco D da Escola de Engenharia - Responsável: Prof. Dr. Roger Matsumoto Moreira - Áreas de atuação: Simulação numérica

10 BIODIESEL LEI DE 13/01/2005: biocombustível derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil.

11 BIODIESEL LEI DE 13/01/2005: Óleos vegetais in natura; Misturas binárias: óleo vegetal-diesel; álcooldiesel; ésteres-diesel Hidrocarbonetos derivados da pirólise de biomassa vegetal Misturas ternárias: álcool/diesel/co-solvente

12 BIODIESEL Resolução ANP n 42/2004 (Estabelece a definição do Biodiesel B100) combustível composto de alquilestéres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou gorduras animais conforme a especificação contida no Regulamento Técnico n 4/2004.

13 BIODIESEL Regulamento Técnico ANP n 4/2004.

14 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE MÉTODO ABNT NBR ASTM D EN/ISO Aspecto - LII (1) Massa específica a 20ºC kg/m 3 Anotar (2) 7148, , , - Viscosidade Cinemática a 40 C, Água e sedimentos, máx. (4) mm 2 /s Anotar (3) EN ISO 3104 % volume 0,

15 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) Contaminação Total (6) mg/kg Anotar - - EN Ponto de fulgor, mín. C 100, EN ISO3679 Teor de éster (6) % massa Anotar - - EN Destilação; 90% vol. recuperados, máx. C 360 (5) Resíduo de carbono dos 100% destilados, máx. % massa 0, , 189 EN ISO 10370, -

16 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) Cinzas sulfatadas, máx. % massa 0, ISO 3987 Enxofre total (6) % massa Anotar EN ISO Sódio + Potássio, máx mg/kg EN EN Cálcio + Magnésio (6) mg/kg Anotar - - EN Fósforo (6) mg/kg Anotar EN 14107

17 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE MÉTODO ABNT NBR ASTM D EN/ISO Número de Cetano (6) - Anotar EN ISO 5165 Ponto de entupimento de filtro a frio, máx. C (7) Índice de acidez, máx. mg KOH/g 0, EN (8) Glicerina livre, máx. % massa 0, (8) (9) EN (8) (9) EN (8) (9)

18 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) Glicerina total, máx. % massa 0, (8) (9) - - EN (8) (9) Monoglicerídeos (6). % massa Anotar (8) (9) - - EN (8) (9) Diglicerídeos (6) % massa Anotar (8) (9) - - EN (8) (9) Triglicerídeos (6) % massa Anotar (8) (9) - - EN (8) (9)

19 ESPECIFICAÇÃO DO BIODIESEL B100 (RESOLUÇÃO ANP Nº 42, DE , DOU RETIFICADA DOU ) Metanol ou Etanol, máx. % massa 0,5 - - EN (8) Índice de Iodo (6) Anotar - - EN (8) Estabilidade à oxidação a 110 C, mín h EN (8)

20 BIODIESEL: COMPARATIVO ENTRE AS ESPECIFICAÇÕES BRASILEIRA, AMERICANA E EUROPÉIA Características BR EUA EU Aspecto LII - - Massa específica a 15 C, kg/m³ Massa específica a 20 C, kg/m³ Anotar - - Ponto de fulgor, C mín 100, Água, mg/kg, máx Água e sedimentos, % vol., máx. 0,05 0,05 - Viscosidade Cinemática a 40 C, mm²/s Anotar 1,9-6,0 3,50-5,00 Contaminação total, mg/kg Anotar - 24 Cinzas Sulfatadas, % massa máx. 0,02 0,02 0,02 Enxofre, mg/kg, máx Anotar 10,0 Corrosividade ao Cobre (3h a 50 C), máx Ponto de entupimento de filtro a frio, C (*) - - Ponto de névoa - Anotar - Número de Cetano, mín. Anotar 47 51,0 Destilação sob pressão reduzida, recup 90%, C máx Resíduo de carbono dos 10% destilados, % massa máx ,30 Resíduo de carbono, % massa máx. 0,10 0,05 -

21 BIODIESEL: COMPARATIVO ENTRE AS ESPECIFICAÇÕES BRASILEIRA, AMERICANA E EUROPÉIA Características BR EUA EU Índice de Acidez, mgkoh/g máx. 0,80 0,80 0,50 Índice de Iodo Anotar Metanol ou Etanol, % massa, máx. 0,5-0,20 Glicerina Livre, % massa máx. 0,02 0,020 0,02 Glicerina Total, % massa máx. 0,38 0,240 0,25 Monoglicerídeos, % massa máx. Anotar - 0,80 Diglicerídeos, % massa máx. Anotar - 0,20 Triglicerídeos, % massa máx. Anotar - 0,20 Na+K, máx. 10-5,0 Ca+Mg, máx. Anotar - 5,0 Fósforo, mg/kg máx. Anotar 10,0 10,0 Estabilidade à oxidação a 110 C, h mín 6-6 Teor de éster, %massa, mín. Anotar - 96,5 Éster Metil Ácido Linolênico, %massa, máx ,0 Ésteres metílicos poliinsaturados, %massa, máx

22 EU: Índice de iodo 120 (max) - RESTRINGE O USO DE BIODIESEL DE ÓLEO DE SOJA E DE GIRASSOL (Índice de iodo > 120) ,5 4 INDICE IODO ,5 4 0,4 0,5 0,4 89,6 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 RENDIMENTO t PARTICIPAÇAO NO MERCADO BRASILEIRO INDICE DE IODO RENDIMENTO t Oleo/há ano Coco Baba ç u Palma Algod ã o Canola Amendoim Girassol Soja

23 BIODIESEL - SEQUESTRO DE CARBONO GRANDE VANTAGEM!

24 BIODIESEL Motores de combustão interna utilizando óleo vegetal como combustível não são uma inovação, Rudolf DIESEL ( ), criador dos motores do ciclo diesel, utilizou óleo vegetal de amendoim para demonstrar seu invento em Paris-1900.

25 BIODIESEL Para se utilizar óleo vegetal em um motor comum do ciclo diesel sem necessidade de adaptações no motor, é preciso submeter este óleo a uma reação química denominada de transesterificação com o principal objetivo de baixar a viscosidade do óleo a valores próximos ao do diesel convencional. A mistura de ésteres assim obtida chama-se "biodiesel".

26 BIODIESEL: Transesterificação de óleo vegetal ou de gordura animal Triglicerídeo Biodiesel Glicerol

27 BIODIESEL: Fatores que interferem na reação de Transesterificação Matéria prima (triglicerídio) Álcool utilizado (metanol, etanol, butanol, propanol) Catalisador utilizado (básicos: KOH, NaOH e ácidos: HCl, H 2 SO 4 ) Razão molar entre o álcool e o triglicerídio (6:1, 12:1, 25:1) Temperatura da reação (32 0 C, 45 0 C, 60 0 C) Tempo da reação (1 h, 12h, )

28 ÓLEO DE CANOLA

29 BIODIESEL DE ÓLEO DE CANOLA (rota metílica): SEPARAÇÃO DA GLICERINA

30 BIODIESEL DE ÓLEO DE SOJA (rota etílica)

31 CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS Ponto de Fulgor Corrosividade Ponto de Névoa Ponto de Fluidez Densidade Viscosidade Destilação

32 PONTO DE FULGOR O ponto de fulgor mede a tendência da amostra formar uma mistura inflamável com o ar sob condições controladas. Ele é utilizado no regulamento de transporte e de segurança para materiais inflamáveis e combustíveis. Norma da ABNT NBR 7974.

33 PONTO DE FULGOR (LATERMO/UFF)

34 CORROSIVIDADE O ensaio de corrosão avalia a o grau relativo de corrosividade de um produto. Método de lâmina de cobre, norma da ABNT NBR

35 CORROSIVIDADE (LATERMO/UFF)

36 PONTO DE NÉVOA E FLUIDEZ O ponto de névoa e de fluidez são indicadores da temperatura mais baixa para a utilização do combustível em motores. O ponto de névoa é a temperatura em que se inicia a cristalização da amostra e ponto de fluidez é a temperatura em que a amostra não se apresenta mais como fluído, isto é totalmente cristalizada. Normas da ABNT NBR e NBR

37 PONTO DE NÉVOA E FLUIDEZ (LATERMO/UFF)

38 DENSIDADE / MASSA ESPECÍFICA Método do densímetro, norma da ABNT NBR 7148.

39 DENSIDADE / MASSA ESPECÍFICA (LATERMO/UFF)

40 VISCOSIDADE Viscosidade é uma medida de resistência do fluido ao escoamento Viscosidade: dinâmica (Pa.s); cinemática (cst) saybot furol (ssf); saybolt universal (ssu)

41 VISCOSIDADE CINEMÁTICA (viscosímetro Ubbelöhde LARE/UFF)

42 VISCOSIDADE SAYBOLT (viscosímetro Saybolt LARE/UFF)

43 VISCOSIDADE DINÂMICA (Reômetro Rotacional RS50 LARE/UFF)

44 DESTILAÇÃO As características de destilação (volatilidade) dos hidrocarbonetos têm sempre um importante efeito na sua segurança e no seu desempenho, especialmente nos casos de combustíveis e solventes. A volatilidade é o determinante principal da tendência de um hidrocarboneto de, potencialmente, produzir vapores explosivos (Norma ABNT NBR 9619).

45 DESTILAÇÃO (LATERMO/UFF)

46 CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS: EXEMPLOS Combustível Massa Específica a 15ºC (kg/l) Viscosidade a 40 o C (mm 2 /s) Teor de cinzas ( %) Biodiesel de soja (estudado) 0,8830 4,5 0,063 Diesel 0,855 3,06 - Biodiesel de Babaçu 0,875 3,6 - Biodiesel de amendoim 0,883 4,9 -

47 CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS: EXEMPLOS Combustível Massa Específica a 15ºC (kg/l) Viscosidade a 40 o C (mm 2 /s) Teor de cinzas ( %) Biodiesel de Palma 0,880 5,7 - Biodiesel girassol 0,860 4,6 - Biodiesel de oliva 0,880 4,7 0,0054 Diesel Marítimo 0,860 3,8 0,12

48 CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS: EXEMPLOS Combustível Número/Índice de Cetano Ponto de Fulgor ( o C) Ponto de Fluidez ( o C) Resíduo de Carbono ( %) Biodiesel de soja (estudado) 64,32 (IC) ,08 Diesel 50 (NC) Biodiesel de Amendoim Biodiesel de Babaçu 54 (NC) (NC)

49 CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS: EXEMPLOS Combustível Número/Índice de Cetano Ponto de Fulgor ( o C) Ponto de Fluidez ( o C) Resíduo de Carbono ( %) Biodiesel de palma 62 (NC) Biodiesel de girassol Biodiesel de oliva Diesel Marítimo 49 (NC) (NC) > (IC) 73-0,22

50 ESTUDO DE CASO 1 (teste de desempenho) USO DE MISTURAS: DIESEL BIODIESEL DE ÓLEO DE SOJA EM MOTOR ESTACIONÁRIO DE PEQUENO PORTE (2 kw) Artigo: R. G. Pereira, C. D. Oliveira, J. L. Oliveira, P. C, P. Oliveira, C. E. Fellows, O. E. Piamba, Exhaust emissions and electric energy generation in a stationary engine using blends of diesel and soybean biodiesel, Renewable Energy, ISSN , Vol. 32, pp , 2007

51 Geração de Energia utilizando Biocombustíveis Grupo motor-gerador da marca Branco modelo BD-2500: Potência Máxima: 2kW, Rotação: 3600 rpm Capacidade do tanque: 2,5 L, autonomia, com 50% de carga, de 5 horas Peso: 47 Kg.

52 Geração de Energia utilizando Biocombustíveis Painel de carga: lâmpadas de 200 W e 127 V e dispositivo CCK para registro de voltagem, corrente, frequência e potência. Análise de emissões de gases: Greenline 8000 (Eurotron Instrument S.A.) - sonda colocada na tubulação de exaustão de gases do grupo motor-gerador.

53 GRUPO MOTOR-GERADOR

54 CARACTERÍSTICAS DO GRUPO MOTOR-GERADOR Tipo Refrigeração Diâmetro x Curso Cilindrada Rotação Potência Velocidade média do pistão Pressão efetiva média Relação de consumo de combustível Capacidade do tanque do combustível Quantidade de óleo lubrificante Sentido de rotação Tipo de lubrificação Tipo de partida Peso líquido Monocilíndrico, 4 tempos, injeção direta de combustível Refrigerado a ar 68 x 55 (mm) 210 cc 3600 rpm 2,0 kw 5,5 m/s 443,2 kpa < 4,08 g/kw.h 2,5 L 0,75 L Negativo, visto desde o volante. Bomba de Óleo Manual, retrátil 27 kg

55 GRUPO MOTOR-GERADOR EM FUNCIONAMENTO

56 ANALISADOR DE GASES Parâmetro Tipo sensor Faixa Resolução O 2 Eletroquímico de 0 a 25.0% 0.1% CO% Eletroquímico de 0 a % 0.01 % CO 2 NDIR de 0 a 20.00% 0.01 % NO Eletroquímico de 0 a 4000 ppm 1 ppm NO 2 Eletroquímico de 0 a 1000 ppm 1 ppm NO x Calculado de 0 a 4000 ppm 1 ppm SO 2 Eletroquímico de 0 a 4000 ppm 1 ppm H 2 S Eletroquímico De 0 a 1000 ppm 1 ppm C x H y Pelistore de 0 a 5% vol % C x H y NDIR de 0 a 50000ppm 10ppm T ar Pt100 de -10 a 100 C 0.1 C T gás Tc K de 0 a 1000 C 0.1 C T Calculado de 0 a 1000 C 0.1 C Excesso de ar Calculado de 1.00 a infinito 0.01 Eficiência Calculado de 0 a 100% 0.1 %

57 METODOLOGIA Determinação das características físicas e químicas dos combustíveis. Determinação do consumo específico de combustível sob diferentes condições de prova. Determinação da voltagem, corrente, frequência e potência. Determinação da composição dos gases de escapamento para as diferentes condições de prova.

58 TESTE DE MOTOR Carga de combustível Ignição do motor Aplicação da carga Determinação da massa inicial do combustível Determinação da potência e dos gases de exaustão Fim do processo T i M i W Poluentes Determinação da massa final do combustível Fim do teste T f M f

59 CARACTERÍSTICAS DO DIESEL E DO BIODIESEL DE ÓLEO DE SOJA (B100) PROPRIEDADES DIESEL B100 Massa Específica a 15ºC (kg/l) 0,8450 0,8830 Viscosidade a 40 o C (mm 2 /s) 3,0 4,5 Teor de cinzas ( %) 0,156 0,063 Índice de Cetano 54,3 59,2 Ponto de Fulgor ( o C) Ponto de Fluidez ( o C) Resíduo de Carbono ( %) 0,17 0,18

60 GERAÇÃO DE ENERGIA UTILIZANDO BIOCOMBUSTÍVEIS Características Combustível Diesel B20 B50 B75 B100 Potência (W) Tensão (V) 102,4 100,9 101,7 102,9 102,6 Freqüência (Hz) 58,8 58,2 58,7 58,7 58,9 Rotação (rpm) Consumo de combustível (L/h) 0,864 0,828 0,864 1,008 0,900

61 GERAÇÃO DE ENERGIA UTILIZANDO BIOCOMBUSTÍVEIS Emissão de O 2 (%) (Diesel) 19,1 (B20) 19,1 (B50) 19,2 (B75) 19,2 (B100) 19,3 Emissão de CO 2 (%) 1,38 1,45 1,39 1,77 1,68 Emissão de CO (ppm) Emissão de SO 2 (ppm) 5, ,3 2,7 Emissão de NO (ppm) Emissão de NO x (ppm) Emissão de C x H y (ppm)

62 GERAÇÃO DE ENERGIA UTILIZANDO BIOCOMBUSTÍVEIS Temperatura dos gases de descarga 141,4ºC 129,5 ºC 129 ºC 132,7ºC 135ºC Temperatura do ar ambiente 32,4 ºC 34,4 ºC 39,1 ºC 28,3ºC 27,8ºC Pressão Atmosférica 768mmHg 768mmH g 768mmH g 766mmH g 766mmH g Umidade relativa do ar 76% 76% 76% 84% 84%

63 ESTUDO DE CASO 2 (teste de desempenho em andamento) USO DE MISTURAS: DIESEL BIODIESEL DE ÓLEO DE CANOLA EM MOTOR ESTACIONÁRIO DE GRANDE PORTE (50 kva)

64 LABGED-UFF

65 LABGED: Tanques de combustível ( L para o diesel e L para o biodiesel)

66 GRUPO MOTOR-GERADOR DE 50 kva

67 GRUPO MOTOR-GERADOR DE 50 kva

68 FUNCIONAMENTO DO GRUPO GERADOR SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEL TANQUE DE L DE DIESEL; TANQUE DE 1000 L DE BIODIESEL; TANQUE AUXILIAR DE 250 L DE DIESEL; DOIS TANQUES DE 150 L PARA ALIMENTAÇÃO DOS GRUPOS GERADORES, UM COM DIESEL E OUTRO COM MISTURA DIESEL-BIODIESEL. POSSIBILIDADE DE OPERAÇÃO EM PARALELO, UM GRUPO COM A UTILIZAÇÃO DE DIESEL E OUTRO COM MISTURA DIESEL-BIODIESEL POSSIBILIDADE DE FORNECIMENTO DE ENERGIA À UFF (biblioteca - sistema de ar condicionado)

69 CONCLUSÃO O BIODIESEL (B100) E AS MISTURAS DIESEL-BIODIESEL (B20, B50 E B75) MOSTRARAM-SE EFICIENTES EM TERMOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA E EMISSÕES NOS TESTES DE DESEMPENHO NO GRUPO MOTOR- GERADOR UTILIZADO

70 BIODIESEL: ALTERNATIVA SUSTENTÁVEL!