EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE UM GERADOR OPERANDO COM BIODIESEL OBTIDO A PARTIR DO ÓLEO USADO EM RESTAURANTES

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1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE UM GERADOR OPERANDO COM BIODIESEL OBTIDO A PARTIR DO ÓLEO USADO EM RESTAURANTES S. C. SILVA FILHO 1, 3, T. A. F. SILVA 1, 3, A. C. MIRANDA 2, H. H. FELÍCIO 1, e J. C. C. SANTANA 2* e E. B. TAMBOURGI 3 1 Universidade Nove de Julho, Diretoria de Ciência Exatas 1 Universidade Nove de Julho, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção 3 Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química para contato: jccurvelo@uninove.br RESUMO Este trabalho avaliou a eficiência energética de um gerador usando biodiesel a partir da mistura de óleos de fritura usados nos restaurantes da cidade de São Paulo. Para tanto, um estudo cinético de transesterificação foi realizando em um reator em batelada, onde foram misturados em (1:6) o álcool etílico com óleo de fritura coletados nos restaurantes, catalisados por 0,1% de NaOH sob agitação e variação da temperatura entre 40 e 80 C por 2h. Desta forma, foi usado um gerador de energia elétrica de 6 KW operando com 50% da carga nominal, usando blendas de biodieseis entre B6 e B100. Os resultados mostraram que o rendimento da conversão ficou entre 88-89% e verificou-se que quando se aumentava em 10 C a temperatura de reação, diminuía em 10 min o tempo final da reação. A geração de energia dos biodieseis foram semelhantes às do óleo diesel, mas as emissões chegar as ser reduzidas em 50% e foram indicadas as blendas entre 10 a 30% de biodiesel, por serem economicamente viáveis, tornando o biodiesel factível para sua utilização já que é um combustível renovável e mais limpo que os combustíveis fósseis. 1. INTRODUÇÃO A utilização de combustíveis fósseis libera gases que contribuem para efeito estufa, apontado como causador do aquecimento global. Um dos principais gases responsáveis por esse acontecimento é o dióxido de carbono (CO 2 ), presente na fumaça dos motores (SILVA, 2007). Dentre os biocombustíveis, pode-se citar o aumento no incentivo governamental ao uso do biodiesel derivado de óleos animais e vegetais, devido aos benefícios ambientais associados a eles, tais como: é livre de enxofre; não tóxico; é biodegradável; reduz emissão de gases poluentes; reduz o aquecimento global; é economicamente competitivo; pode ser produzido por pequenas empresas; sua produção pode ser regionalizada e favorecer economicamente as pequenas comunidades (GIRAÇOL et al., 2011).

2 O biodiesel substitui o óleo diesel mineral nos motores de ciclo diesel com a vantagem de não requererem adaptações mecânicas, enquanto o uso de outros combustíveis limpos, como o gás natural ou o biogás e o álcool etílico, requerem adaptação (VOLPATO et al., 2009). Desta forma, o biodiesel vem sendo inserido no mercado através da mistura obrigatória com o diesel para comercialização nos postos de combustíveis. A iniciativa caracteriza-se pela melhoria em fatores econômicos e ambientais. Além de ser uma alternativa energética que substitui o diesel derivado do petróleo, a utilização de biodiesel é uma forma de manter motores ciclo diesel em pleno funcionamento com menores índices de poluição atmosférica conforme (CHAVES et. al., 2012). Assim, este trabalho objetivou avaliar a eficiência energética de um gerador usando biodiesel a partir da mistura de óleos de fritura usados nos restaurantes da cidade de São Paulo, como forma de reutilizar este rejeito de uma forma ambientalmente correta. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Produção do Biodiesel O óleo de fritura usado neste trabalho foi coletado em 53 restaurantes da cidade de São Paulo-SP, dentre os anos de 2013 e 2014, os quais foram misturados, para uma melhor homogeneização da amostra. Utilizou-se um reator com camisa de aquecimento e volume total de 100 ml, no qual foram misturados 50 ml de óleo e 8,33 ml de álcool, dando um volume de reagentes dentro do reator foi de 58,33 ml. As reações ocorreram nas temperaturas de 40, 50, 60, 70 e 80 C sob agitação constante por até 120 min. Usou-se a razão volumétrica de 6:1 de óleo/álcool etílico e 0,1% NaOH (m/v) como catalisador (solubilizado no álcool). A medição do teor de biodiesel formado foi feita de 10 em 10 min. Depois, a mistura foi transferida para um funil de decantação, onde foi adicionada a água deionizada para facilitar a separação da glicerina e excesso de álcool. Deixou-se o recipiente em repouso para a separação das fases. E separou-se o biodiesel do óleo que não reagiu usando a técnica de extração com éter de petróleo em um extrator tipo soxhlet. O rendimento foi calculado com base nas massas moleculares médias do óleo de fritura 835 g/mol e da mistura do Ester, 881 g/mol, e foi calculado como mostrado na Equação 1, já que a relação entre as massas molares do produto com o reagente dá um rendimento teórico de 105,5% (GIRAÇOL et al., 2011; LIN e LIN, 2007). Ampliou-se a escala do processo para 3L, mantendo-se mesma relação volumétrica, a 60 C (±2 C), com 0,1% de NaOH e sob agitação constante por 60 min, por serem condições comuns nos trabalhos encontrados (GIRAÇOL et al., 2011; LIN e LIN, 2007). A caracterização foi feita de acordo com os métodos da AOCS (1985). V Re n dimento(%) = V Biodiesel Oileo d d Biodiesel Oleo MM MM Ester Oleo 100 (1) Onde V é o volume, ρ é a massa específica e MM são as massas moleculares. Para os ensaios de geração de energia, usou-se o óleo diesel S-10, comercializado na época com 6% de biodiesel (B6) como a amostra controle, chamada de B6. A partir da mistura do B6

3 com os biodiesel puro (B100) chegou-se às amostras com 10 (B10), 20 (B20), 30 (B30), 40 (B40), 50 (B50), 75% (B75) de biodiesel, as quais foram estudadas neste trabalho Análises e Geração de Energia Para a geração de energia, usou-se um gerador trifásico de modelo ND 7000E3, operando a diesel, com rotação de 3600 rpm, sob um freqüência de 60 Hz, com um potencia máxima de 6 kw, tensão de saída de 220 V, corrente nominal de 15 A e regulador de voltagem do tipo AVR, fabricado pela NAGANO. O qual era equipado com motor de 4 tempos, 10 HP e cilindro de 418 cm 3, refrigerado a ar, com injeção direta de combustível, tendo dois modos de partida: retrátil e elétrica e um tanque de combustível de 15 L. Durante os experimentos, padronizaram-se os ensaios usando-se uma potencia nominal de 3 kw e 2,5 L de combustível, operando por uma hora de geração de energia. Para registrar grandezas de energia no experimental, utilizou-se do instrumento de medição do fabricante Embrasul Indústria Eletrônica Ltda - EMBRASUL, modelo analisador de energia RE6000N. O rendimento de um gerador foi calculado pela relação da potência mecânica fornecida ao gerador e a potência gerada pelo gerador, descrito na Equação 2. O consumo de combustível durante o período de geração de energia (1 h) foi usado para comparação com o consumo horário do óleo diesel comercializado na época (B6), já que ao volume de combustível gasto também está associado o custo da geração de energia, dado pela Equação 2. A conversão de energia por cada litro de combustível também foi usada como método comparativo entre as blendas usadas neste trabalho (B10 até B100) com o óleo diesel. V. I η = (2) E. I Consumo( L / h) Pr eçocombustível ( R$ / L) Custo ( R$ / kw. h) = (3) Potencia no período( kw ) Utilizou-se nos experimentos como registrador de grandezas de emissão de gases, o instrumento denominado de analisador de gases, modelo BEA 724, fabricado pela BOSCH Ltda. Este instrumento trata-se de um registrador de emissão de gases com classificação internacional OIML CLASSE 1 e BR90, que é atribuído a equipamentos com altos níveis de precisão, reprodutibilidade e confiabilidade dos dados gerados. Um software de operação e registro, denominado de EasyGas foi acoplado ao registrador de emissões. Durante a etapa de medição das emissões gasosas (CO e CO 2 ), o sensor do analisador de gases foi inserido no duto de saída de gases do gerador e calibrou-se o equipamento para emitir resultado a cada 2 s, os quais eram capturados pelo Software EasyGas para análise posterior. Optou-se por tais gases, pois a medida que se reduz o CO tende-se à uma combustão perfeita, o que é uma forma de avaliar a eficiência e o CO 2 por sua influência no efeito estufa e a diminuição de sua emissão indica uma redução nos impactos ambientais.

4 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Estudo da Obtenção do Biodiesel A Figura 1 apresenta a variação da conversão do óleo em biodiesel com o tempo de reação nas temperaturas estudadas. Como se nota, todas as temperaturas permitiram atingir ao máximo possível de conversão do óleo em biodiesel, diferenciando apenas no tempo para alcançá-la. Após os cálculos usando a Equação 1, notou-se que a conversão variou entre 88 e 90%, sendo que ao se elevar a temperatura em 10 C reduzia-se o tempo para atingir a máxima conversão em 10 min. O menor tempo foi 40 min, alcançado na temperatura de 80 C e o maior tempo foi 80 min, quando se usou a temperatura de 40 C. Figura 1. Curvas de conversão do óleo em biodiesel com o tempo e a temperatura do processo. Uma ampliação de escala foi realizada para verificar se as condições experimentais seriam mantidas. Como boa parte das referencia indicam a temperatura de 60 C, já que boa parte da referencia citam esta temperatura como sendo a mais indicada para a transesterificação do óleo, esta foi usada em 12 ensaios com um volume total de 3 L. A Figura 2 mostra uma foto de duas algumas amostras de biodiesel obtidas neste trabalho (B50 e B100). Como se nota, as amostras à esquerda contêm uma quantidade significativa de farinha em fase de decantação, a qual deixa os biodieseis turvos, decantando (a esquerda) com o tempo (em dias). Como os geradores são sistema estático, que entram eventualmente em operação, em situações emergenciais, acredita-se na possibilidade da decantação da farinha do biodiesel no tanque possa entupir o dispositivo de liberação de passagem de combustível para a bomba injetora, ocasionando a interrupção ou danificação do equipamento. Além disto, como a presença de farinha no combustível pode significar a perda de poder calorífico e a possibilidade de entupimento dos bicos injetores e conseqüentemente, o mau funcionamento dos motores. No intuito de mitigar esta situação, uma etapa de filtrou-se o biodiesel (B100) antes de preparar as blendas.

5 Figura 2. Presença de farinha em amostras de biodieseis obtidas a partir do óleo de restaurantes a 60 C e 0,1% da NaOH. A Tabela 1 mostra os resultados para o biodiesel obtido neste trabalho, após a ampliação da escala para um volume total de 3 L. Como se nota, o rendimento médio, na escala ampliada, foi de 86,91%, que se encontra dentro da faixa de conversão (55-90 %) citada por Diya uddeen et al. (2012). Após as filtrações, notaram-se as perdas de massa e de volume das amostras de biodiesel, as quais tiveram uma media de 1,18 ml/100 ml e 0,4916 g/100 ml de biodiesel, o que reduziu o rendimento ao se comparar com os obtidos na fase de estudo cinético. Estas perdas também influenciaram no aumento na densidade do biodiesel, já que a massa retida foi de farinha que possui densidade menor do que o biodiesel puro. Tabela 1. Resultados para o biodiesel obtido na escala ampliada antes e depois da filtragem. Amostras Densidade (g/cm 3 ) ±σ Rendimento Perdas (%) ±σ Antes Depois (%) ±σ Volume Massa Óleo de Fritura Usado 0,8637±0, Biodiesel 0,8902±0,0444 0,9130±0, ,91±6,22 1,18±0,62 0,4916±0, Estudo da Eficiência do Gerador A Figura 3 mostra a variação da energia produzida pelas amostras de biodiesel testadas neste trabalho (B10 até B100) comparadas com o diesel comercializado em nosso país (B6) até meados de Como se nota, mesmo o combustível que é indicado como padrão para uso nos gerados apresenta um rendimento próximos do 98% da potencia nominal, o que é alcançado por praticamnete todas as blendas de biodiesel. A Figura 4 apresenta o comportamento da curva de consumo de combustível com a geração de energia no gerado por cada de cada litro de combustível. A curva de conversão demonstra a

6 eficiência que o combustível teve de converte cada litro em kw de energia por 1 h de processo; assim sendo, quanto maior, mais eficiente é o combustível. Figura 3. Comparação das potencias geradas pelas amostras de combustível com a do gerador. A curva de consumo indica a quantidade volumétrica de combustível que é usada em 1 h de processo. Como quanto menor for este consumo mais econômico é o combustível, já que cada litro de diesel custa atualmente 2,88 $/L. Desta forma, o cruzamento entre as duas curvas mostra a região de operação economicamente viável para o biodiesel. O tracejado na Figura 4 enfatiza esta suposição, já que demonstram a queda brusca na eficiência de conversão de energia e a elevação no consumo de combustível. Após os cálculos, usando a Equação 3 chegou-se a 1,30 R$/kW.h para o óleo diesel. Notouse que entre o B10 e o B30 o custo da energia eleva-se entre 10-14% com relação ao diesel comercializado. Já para a blenda B40, o custo elevou a 36%, alcançando os % do valor do para as blendas seguintes. Desta forma, comprova-se a viabilidade econômica das três primeiras blendas (B10 a B30) dentre às demais estudadas. Para Volpato et al. (2009) a utilização de biodiesel pode configurar-se em uma alternativa técnica capaz de atender a toda a frota já existente movida a óleo diesel mineral, além de apresentar alto rendimento energético, já que, para Lima et al. (2012), o biodiesel também é totalmente miscível ao óleo diesel, podendo ser utilizado puro em misturas sem a necessidade de qualquer adaptação nos motores. Tais conclusões foram evidenciadas também em nosso trabalho. A Figura 5 mostra a variação do teor (%) de emissões medidas na saída de gases do gerador. Como se nota, a uma queda brusca na taxa de emissão de CO 2 com o aumento da porcentagem de biodiesel. A queda na emissão de CO é mais acentuada, mas é acompanha a elevação da porcentagem de biodiesel. Resumindo, todas as amostras de biodiesel estudadas

7 neste trabalho apresentaram redução de imissões de CO (de 13 a 48%) e de CO 2 (de 10 a 52%) com relação ao diesel comercial (B6). Figura 4. Variação do consumo de combustível com a sua conversão em energia. Figura 5. Emissão de gases na saída do gerador, por litro de combustível. A relação CO 2 /CO para o diesel comercial (B6) ficou em 45:1, enquanto que na faixa indicada pelo custo, como sendo a mais indicada comercialmente ficou entre 47:1-50:1, demonstrando que esta faixa também aumenta a eficiência de combustão dos óleos. Isto também foi evidenciado por Silva (2007), que relata que a utilização de combustíveis fósseis libera gases que contribuem para efeito estufa, principalmente o CO 2, e a sua substituição pelo biodiesel diminui a emissão de CO 2 em 46% e de material particulado em 68%, e colabora para diminuir da poluição.

8 4. CONCLUSÕES O estudo cinético de conversão de óleo à biodiesel mostraram que o rendimento da conversão ficou entre 88-89% e verificou-se que quando se aumentava em 10 C a temperatura de reação, diminuía em 10 min o tempo final da reação, entretanto, após a ampliação da escala verificou-se que há uma grande volume de farinha no biodiesel, obrigando ao uso de um processo de separação antes da preparação das blenda e uma redução de 2-4% no rendimento. As curvas de conversão de energia e consumo de combustível demonstraram que há uma redução na eficiência de conversão de energia e uma elevação no consumo de combustível e no custo da energia gerada a partir da concentração de 40% de biodiesel no óleo diesel, indicando que a melhor região de operação é entre 10 a 30% de biodiesel na mistura com óleo diesel, onde o custo ficou entre 10 e 14% a mais do que o óleo diesel. As emissões de CO e CO 2 geradas pelas blendas foram de 10 a 50% menores do que as do diesel comercial, confirmando a redução nos impactos ambientais ao se optar pelo uso do biodiesel; o que torna o biodiesel factível para sua utilização já que é um combustível renovável e mais limpo que os combustíveis fósseis. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e a UNINOVE pela bolsa e auxilio à pesquisa. 6. REFERÊNCIAS AOCS American Oil Chemists Society. Official and Tentative Methods. 3ª ed., Chicago, vol.1, CHAVES, L. I. et al. Variação da potência de saída de um gerador em função da utilização de biodiesel de crambe e soja. Acta Iguazu, v. 1, n.1, p. 1-8, DIYA UDDEEN B. H., ABDUL AZIZ A. R., DAUD W.M.A.W., CHAKRABARTI M. H. Performance evaluation of biodiesel from used domestic waste oils: A review. Process Safety Environ. Protec. v.90, p , GIRAÇOL, J. et al. Reduction in ecological cost through biofuel production from cooking oils: an ecological solution for the city of Campinas, Brazil. J. Clean. Prod. v.19, p , LIN, C.-Y.; LIN, H.-A. Engine performance and emission characteristics of a three-phase emulsion of biodiesel produced by peroxidation. Fuel Proces. Technol. v.88, p.35 41, SILVA, M. F. Emissão de metais por veículos automotores e efeitos à saúde pública f. Dissertação (Mestrado em Saúde Pública) Faculdade de Saúde Pública, Universidade de São Paulo, São Paulo/SP, VOLPATO, C. E. S.; CONDE, A. P.; BARBOZA, J. A.; SALVADOR, N. Desempenho de motor diesel quatro tempos alimentados com biodiesel de soja (B100). Revista Ciência Agrotecnológica, v. 33, n. 4, p , 2009.