ANÁLISE E MODELO DO CUSTO DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DE UM SISTEMA COMPOSTO POR UM GASEIFICADOR DE BIOMASSA E UM GRUPO GERADOR A. F. M. ALVES 1, B. V. M. BARROS 2 e M. S. G. GONÇALVES 3 1,2,3 Universidade Federal da Paraíba, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica E-mail para contato: andrefmalves@hotmail.com.br RESUMO O uso de combustíveis fósseis para geração de energia elétrica e suas consequências para o meio ambiente, fazem com que vários países, inclusive o Brasil, busquem viabilizar a utilização de combustíveis renováveis. Um dos obstáculos encontrados nesta prática é o elevado custo do investimento inicial. A gaseificação de biomassa surge como alternativa para geração de energia elétrica no Brasil, uma vez que, requer baixo investimento financeiro, facilidade operacional, além de se dispor, aqui, desse recurso natural, em abundância. Este trabalho tem por objetivo analisar os custos da geração de energia elétrica advindos de um sistema composto por um gaseificador de biomassa e um grupo gerador com capacidade líquida de geração de 22 kwe, estabelecendo-se uma análise comparativa com o custo médio da energia elétrica no Brasil. O menor valor do kwh calculado para esse sistema foi de R$ 0,4788, inferior ao valor médio do kwh cobrado pelas concessionárias no Brasil. 1. INTRODUÇÃO Buscando diminuir os níveis de emissões, diferentes países são seduzidos pelo desafio da geração de energia através de fontes renováveis. Na Alemanha, entre 2013 e 2014, a produção de energia elétrica oriunda da energia solar, eólica e da biomassa teve um aumento de 28%, 18,7% e 7%, respectivamente, totalizando um ganho de 9,9 TWh em sua matriz (Burger, 2014). No mesmo caminho, a União Europeia anunciou que até 2020, 20% de sua energia consumida procederá de fontes renováveis (Lendle & Schaus, 2010). Atualmente, no Brasil, cerca de 8% da sua matriz de energia elétrica emana de fontes renováveis, entretanto, o Projeto de Lei do Senado nº 433, 2015, torna obrigatória a participação mínima de 15% das fontes de energia como biomassa, eólica e solar na matriz elétrica brasileira no ano de 2025 (Senado Federal, 2015). Nos dias de hoje, um dos problemas enfrentados na geração de energia elétrica proveniente de fontes renováveis no Brasil é o custo. Segundo Galdino (2012), os custos reais da geração de energia elétrica derivada da energia solar, na maioria das vezes, não são divulgados, pois há um desinteresse quando os custos reais relacionados à implantação desses sistemas de geração são abordados.
Por sua vez, a geração de energia elétrica através da gaseificação de biomassa surge como uma alternativa atrativa para o Brasil, em virtude de seu baixo custo de investimento e simplicidade operacional. Segundo Mukunda (2003), essa tecnologia consiste na geração de energia elétrica através do fornecimento de um gás combustível a um grupo gerador, por meio de um processo de queima parcial da biomassa. Esses grupos geradores são formados por um motor de combustão interna acoplado a um gerador elétrico, e tem como função, transformar a energia química do combustível em energia elétrica. 1.1. Objetivo Este trabalho tem por objetivo calcular os custos da geração de energia elétrica de um sistema composto de um gaseificador de biomassa e um grupo gerador com capacidade líquida de geração de 22 kwe, estabelecendo-se uma análise comparativa com o custo médio do kwh fornecido no Brasil. 2. O SISTEMA: GASEIFICADOR DE BIOMASSA E GRUPO GERADOR O sistema de geração de energia elétrica analisado no presente trabalho encontra-se no Laboratório de Inovação (LI) da Universidade Federal da Paraíba, ver Fig. 2.1. Figura 2.1 O sistema de geração de energia elétrica. O sistema é composto por um gaseificador de biomassa do tipo downdraft, topo aberto, com capacidade de 80 kwt e que necessita, para o seu funcionamento, de 4 kwe. O gaseificador requer o fornecimento contínuo de qualquer biomassa, desde que esta possua umidade inferior a 15 % e massa específica superior a 300 kg/m 3. O sistema possui, ainda, um grupo gerador formado por um motor de combustão interna ottolizado para gás proveniente da gaseificação e um gerador elétrico com
capacidade de 36 kwe. A capacidade de geração líquida desse sistema é de 22 kwe/h, consumindo 22 kg/h de biomassa. 3. O MODELO DO CUSTO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA O custo da geração de energia elétrica do supramencionado sistema é calculado a partir da soma de quatro custos primários: custo de aquisição, de operação, de manutenção e do consumo de biomassa. Desta forma, o custo por kwh, da geração de energia elétrica, CGE, será obtido por meio da Equação (1). CGE = CA + CO + CM + CB (1) As siglas CA, CO, CM e CB são, nesta ordem, o custo por kwh, de aquisição, de operação, de manutenção e do consumo de combustível. No cálculo do CA, CO, CM e CB é usado o fator de recuperação do capital, FRC, defino pela Equação (2). FRC = (1+i)N i (1+i) N 1 (2) Na Equação (2), os termos i e N, correspondem à taxa de juros e vida útil do sistema, respectivamente. Para a análise, foi considerado uma vida útil do sistema de 20 anos e taxas de juros, ao ano, de 6%, 8%, 10% e 12%, e ao mês, de 0,949%, 0,797%, 0,643% e 0,487%. 3.1 Custo de aquisição do sistema A aquisição do sistema resultou em gastos de R$ 102.000,00, onde R$ 62.000,00 corresponde ao gaseificador de biomassa e R$ 40.000,00 ao grupo gerador. O CA é dado pela Equação (3). CA = GA FRC E (3) O termo GA, da Equação (3), significa os gastos com aquisição do sistema e E, a energia produzida pelo sistema por ano. 3.2 Custo de operação do sistema Devido a simplicidade do sistema, necessita-se de 1 operário para sua operação. O expediente de trabalho foi estabelecido em 8 horas por dia, de segunda a sexta, e 4 horas durante o final de semana. Foi levado em conta, 1 dia de folga na semana para os operários. Foram considerados regimes diários de geração de energia elétrica de 8, 16, e 24 horas, e anuais de 365 dias. Os gastos anuais com operários são calculados a partir do seu salário, de R$ 880,00, acrescido das parcelas do Fundo de Garantia por Tempo de Serviço, adicional de insalubridade, do Programa de Integração Social, do 13º salário e férias. Para atender a jornada anual de geração de energia elétrica são contratados operadores extras, devido as condições de trabalho definidas. Desta forma, é acrescentado
aos gastos anuais com operários, os dias atuados por operadores extras. O CO é encontrado pela Equação (4). CO = GO FRC E (4) O componente, GO, da Equação (4), representa os gastos anuais com operação do sistema e E, a energia produzida pelo sistema por mês. 3.3 Custo de manutenção do sistema Os gastos anuais com manutenção são calculados aplicando taxas de 2,4 %, 4,8 % e 7,2% sobre o gasto anual da aquisição do sistema, correspondente aos regimes de 8, 16 e 24 horas, respectivamente. O CM é obtido através da Equação (5). CM = GM FRC E (5) Onde GM é o gasto anual com manutenção do sistema e E, a energia produzida pelo sistema por mês. 3.4 Custo do consumo de biomassa O gaseificador de biomassa, como dito, consome 22 kg/h de biomassa para gerar 22 kwe líquidos. O custo do consumo de combustível é representado pela Equação (6). CC = GC FRC E (6) O termo GC, da Equação (6), é definido como os gastos totais anuais com combustível consumido pelo sistema e E, a energia produzida pelo sistema por mês. O gasto com biomassa suposto foi de R$ 60,00 por tonelada de biomassa. 4. RESULTADOS 4.1 Custos de aquisição do sistema A Tabela 1 mostra os custos de aquisição do sistema obtidos pela Equação (3).
Tabela 1 Custos de aquisição do sistema original Taxa de juros (%/ano) R$/kWh R$/kWh R$/kWh 12 0,2126 0,1063 0,0709 10 0,1865 0,0933 0,0621 8 0,1617 0,0809 0,0539 6 0,1384 0,0692 0,0461 Na Tabela 1, observa-se que quanto maior o regime de produção e menor a taxa de juros, menor será o custo do kwh relacionado à aquisição do sistema. Isto se deve, em grande parte, a maior amortização do custo de aquisição ao considerar o maior tempo de produção de energia pelo sistema. 4.2 Custos de operação do sistema Os custos de operação do sistema encontrados pela Equação (4), são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Custo de operação do sistema original Taxa de juros (%/mês) R$/kWh R$/kWh R$/kWh 0,949 0,3347 0,3347 0,3347 0,797 0,3346 0,3346 0,3346 0,643 0,3346 0,3346 0,3346 0,487 0,3346 0,3346 0,3346 Percebe-se que os custos de operação do sistema independe do regime de produção considerado. Isso ocorre devido a relação linear entre os custos com operadores e a quantidade de energia gerada. 4.3 Custos de manutenção do sistema Os custos de manutenção do sistema, calculados pela Equação (5), são expostos na Tabela 3.
Tabela 3 Custos de manutenção do sistema Taxa de juros (%/mês) R$/kWh R$/kWh R$/kWh 0,949 0,0381 0,0381 0,0381 0,797 0,0381 0,0381 0,0381 0,643 0,0381 0,0381 0,0381 0,487 0,0381 0,0381 0,0381 Os custos de manutenção do sistema é constante para diferentes taxas de juros e regimes de produção. Novamente, há uma relação linear entre os custos considerados com a quantidade de energia gerada. 4.4 Custos do consumo de biomassa do sistema Os custos de consumo de biomassa pelo sistema, estimados através da Equação (6), são apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Custos do consumo de biomassa pelo sistema Taxa de juros (%/mês) R$/kWh R$/kWh R$/kWh 0,949 0,0600 0,0600 0,0600 0,797 0,0600 0,0600 0,0600 0,643 0,0600 0,0600 0,0600 0,487 0,0600 0,0600 0,0600 Da mesma forma que os custos de operação e manutenção, os custos com biomassa são inalteráveis. 4.5 Custos da geração de energia elétrica do sistema A Tabela 5 exibe os custos da geração de energia elétrica do sistema, obtidos através da Equação (1).
Tabela 5 Custos da geração de energia elétrica do sistema Taxa de juros (%/ano) R$/kWh R$/kWh R$/kWh 12 0,6454 0,5391 0,5037 10 0,6193 0,5260 0,4950 8 0,5945 0,5136 0,4867 6 0,5711 0,5019 0,4788 Percebe-se, através da Tabela 5, que o menor custo da geração de energia elétrica do sistema estudado foi de R$ 0,4788. Como visto, a operação do sistema depende de apenas 1 operário, logo, uma alternativa simples de se reduzir o custo de geração é usar um sistema semelhante com capacidade de geração maior, pois, assim, os custos de operação serão menores. 5. ANÁLISE COMPARATIVA O valor médio do kwh cobrado pelas concessionárias no Brasil é de R$ 0,4804, sem contemplar os tributos e outras despesas (Aneel, 2016). Os tributos, normalmente, aplicados são: ICMS, PIS/PASEP e COFINS. As depesas são referentes a contribuição para o custeio da iluminação pública (COSIP/CIP) e em casos de emergência, a contratação de usinas termelétricas. Sabe-se, ainda, que nos horários de pico, entre as 17 e 22 h, o valor do kwh pode elevar-se em até dez vezes. Como visto, o menor custo da geração de energia elétrica do sistema estudado foi de R$ 0,4788, menor do que aquele valor médio do kwh cobrado no Brasil, pelas concessionárias. Todavia, a diferença entre esses custos pode ser ainda maior, quando forem considerados os tributos, as despesas e os horários de pico, além, sobretudo, daquela possibilidade levantada de se utilizar um sistema com capacidade de geração maior. 6. CONCLUSÃO Considerando os resultados e análises realizadas no presente trabalho, pode-se concluir que a tecnologia da gaseificação de biomassa é uma alternativa econômica atrativa para gerar energia elétrica no Brasil, tendo em vista os atuais valores cobrados pelo kwh, tributos e despesas da geração no país. Na análise, também identificou-se a possibilidade de reduzir os custos de operação do sistema, considerando sistemas semelhantes com capacidade de geração maior do que 22 kwe, diminuindo assim os custos com operadores e, consequentemente, o custo de geração de energia elétrica do sistema. O maior custo de geração de energia elétrica do sistema estudado foi de R$ 0,4788 por kwh. O custo de operação do sistema calculado foi o maior dentre os custos primários.
7. REFERÊNCIAS Aneel, 2016. Tarifas Residenciais Vigentes. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idarea=493>. Acesso em: 07/02/2016. BURGER, B. Eletricity production from solar and wind in Germany in 2014. In: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg, Germany, 2014. GALDINO, M. A. Análise de custos históricos de sistemas fotovoltaicos no Brasil. In: IV Congresso Brasileiro de Energia Solar e V Conferência Latino-Americana da ISES São Paulo, 2012. LENDLE, A.; SCHAUS, M. Sustainability Criteria in the EU Renewable Energy Directive: Consistent with WTO rules?. ICTSD information note nº 2, 2010. Senado Federal, 2015. Brasil poderá ter mínimo de 15% de energia alternativa até 2030. Disponível em: <http://www12.senado.leg.br/noticias/materias/2015/09/15/brasil-podera-ter-minimode-15-de-energia-alternativa-ate-2030>. Acesso em: 07/01/2016. MUKUNDA, H. S., DASAPPA, S., PAUL, P. J. Biomass to energy: The Science and Technology of the IISc Bio-energy systems. 1 ed. Índia, ABETS, 2003.