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ANÁLISE DE BALANÇO ENERGÉTICO DE
SISTEMA DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM GRANJA
DE SUÍNOS: IMPLEMENTAÇÃO DE APLICATIVO
COMPUTACIONAL
RAFAEL NISHIMURA
CAMPO GRANDE
2009
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ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO DO SUL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ANÁLISE DE BALANÇO ENERGÉTICO DE
SISTEMA DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM GRANJA
DE SUÍNOS: IMPLEMENTAÇÃO DE APLICATIVO
COMPUTACIONAL
Dissertação submetida à
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
RAFAEL NISHIMURA
Campo Grande, Maio de 2009.
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iii
ANÁLISE DE BALANÇO ENERGÉTICO DE SISTEMA DE
PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM GRANJA DE SUÍNOS:
IMPLEMENTAÇÃO DE APLICATIVO COMPUTACIONAL
Rafael Nishimura
‘Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia
Elétrica, Área de Concentração em Energia, e aprovada em sua forma final pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul.’
______________________________________
Paulo Irineu Koltermann, Dr.
Orientador
______________________________________
Luciana Cambraia Leite, Dra.
Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Banca Examinadora:
______________________________________
Paulo Irineu Koltermann, Dr.
Presidente
______________________________________
Jéferson Meneguin Ortega, Dr.
______________________________________
Luiz Antônio Righi, Dr.
______________________________________
Valmir Machado Pereira, Dr.
iv
DEDICATÓRIA
A Deus e à minha família.
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pois sem Ele, nada disto seria possível.
Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Irineu Koltermann pela paciência, incentivo e
orientação nesta caminhada, cujo conhecimento e apoio técnico foram imprescindíveis
para a realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Luiz Antônio Righi, ao Prof. Dr. Jéferson Meneguin Ortega e ao Prof.
Dr. Valmir Machado Pereira, todos pela revisão e contribuições ao texto.
Aos proprietários e funcionários da Fazenda Rancho Alegre por terem
disponibilizado a granja para a realização deste estudo.
Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica que de
alguma forma contribuíram para que eu alcançasse este objetivo.
Aos engenheiros eletricistas com quem tive a oportunidade de trabalhar em equipe:
Prof. Dr. Amâncio Rodrigues da Silva Júnior, Me. Gervásio Saraiva Lara, Prof. Me. João
César Okumoto, Prof. Me. Saulo Gomes Moreira, Me. Wellington Rocha Araújo, Kelly
Christina Gutterres de Souza e Luiz Francisco Dotto.
Aos colegas de mestrado Me. Edvaldo Francisco Freitas Lima e Susana Guimarães
de Paula pelo auxílio em programação Delphi.
Aos demais colegas de mestrado, em especial Me. Márcia Ferreira Cristaldo,
Andréa Gonçalves Romero Karmouche, Me. Herbert Luque Peralta, Me. Meliton Apaza
Tito, Me. Braulio Chuco Palcar e José Elias Montalvan Barbarán.
Aos estagiários do Laboratório de Eficiência Energética Nadya Kalache, Fábio de
Abreu Tsubone, Thiago Augusto Minari Sbizero, Fabrício Maia da Paz Perim e João Paulo
de Melo.
Aos meus amigos de longa data, em especial Maria Anita Alves Forancelli
Pacheco, Ana Paula Pereira Tsuyuguchi, Aline Cristina da Silva Cometti, Crystiane Coppo
Nogueira e Marcelo Herrero Giuliani.
À CAPES pelo apoio financeiro.
Finalmente, aos meus pais Marta e Manabu, ao meu irmão Thiago e aos meus
familiares pelo carinho e compreensão.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à UFMS como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
ANÁLISE DE BALANÇO ENERGÉTICO DE SISTEMA DE
PRODUÇÃO DE BIOGÁS EM GRANJA DE SUÍNOS:
IMPLEMENTAÇÃO DE APLICATIVO COMPUTACIONAL
Rafael Nishimura
Maio/2009
Orientador: Paulo Irineu Koltermann, Dr.
Área de Concentração: Energia.
Palavras-chave: Balanço Energético, Biogás, Geração de Energia Elétrica.
Número de Páginas: 84.
O desenvolvimento da suinocultura evidenciou a necessidade de maior atenção ao
problema do tratamento e da destinação dos dejetos de suínos. Dentre as alternativas para o
saneamento ambiental, os biodigestores são os mais vantajosos por agregar valor ao
processo, através dos subprodutos gerados: o biogás, cujo principal componente
constituinte é o metano, tido como um energético alternativo, e o biofertilizante. O objetivo
deste trabalho consiste na elaboração de um aplicativo computacional para obter e analisar
o balanço energético de um sistema de criação de suínos com tratamento de dejetos através
de biodigestores. A metodologia parte da quantificação de entradas e saídas de energia
direta e indireta de sistema de produção de uma granja de suínos, durante o período de um
mês. A energia relativa a cada componente energético envolvido no processo produtivo é
contabilizada, obtendo-se a relação saída/entrada de energia. Com o aproveitamento do
biogás como energético para a produção de energia mecânica, obtém-se geração de energia
elétrica, o que representa realimentação positiva no balanço energético do sistema de
produção. O algoritmo desenvolvido e o correspondente aplicativo computacional são
avaliados a partir da simulação em um estudo de caso no município de Campo Grande,
MS. Analisando-se as simulações, constata-se que a atividade de suinocultura apresenta
baixo rendimento energético sistêmico, sendo o uso do biogás como energético primário na
geração de energia elétrica, uma das alternativas para a melhoria da eficiência energética
do sistema de produção.
vii
Abstract of Dissertation presented to UFMS as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.
AN ANALYSIS OF ENERGETIC BALANCE OF A BIOGAS-
PRODUCING SYSTEM IN A SWINE FARM:
IMPLEMENTATION OF A COMPUTATIONAL DEVICE
Rafael Nishimura
May/2009
Advisor: Paulo Irineu Koltermann, Dr.
Area of Concentration: Energy.
Keywords: Energetic Balance, Biogas, Power Generation.
Number of Pages: 84.
The development of swine breeding made evident the need for greater attention to
the issue of treatment and destination of swine wastes. Among the alternatives for
environmental sanitation, the most advantageous one shows to be the biodigesters, since
they add value to the process by means of the by-products generated: biogas, mainly made
out of methane and regarded as an alternative source of power, and the biofertilizer. The
objective of this paper is to elaborate a computational device to obtain power balance of a
system to raise swine using biodigesters to treat wastes. The methodology involves the
quantification of input and output of direct and indirect power of a production system in a
swine farm for a period of one month. The power related to each component involved in
the production process is calculated, and the power input/output relationship is obtained.
With the utilization of biogas as a source to produce mechanical power, electrical power is
also generated, which represents a positive feedback in the power balance of the
production system. The algorithm developed and the corresponding computational
applicative are evaluated from a simulation in a case study in Campo Grande, MS. In
analyzing the simulations, it is seen that the swine breeding activity presents a low
systemic power yielding; and the biogas as a primary source of power generation is one of
the alternatives for the improvement of power efficiency in the production system.
viii
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO..........................................................................................1
1.1. Introdução.................................................................................................................1
1.2. Justificativa...............................................................................................................2
1.3. Objetivos...................................................................................................................3
1.3.1. Objetivo Geral ................................................................................................3
1.3.2. Objetivos Específicos.....................................................................................3
1.4. Revisão de Literatura................................................................................................4
1.4.1. Produção de Biogás........................................................................................4
1.4.2. Geração de Energia Elétrica a partir do Biogás..............................................4
1.4.3. Balanço Energético em Propriedades Rurais com Produção de Biogás.........6
1.5. Organização do Trabalho .........................................................................................7
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................8
2.1. Introdução.................................................................................................................8
2.2. Aspectos Ambientais................................................................................................8
2.3. O Biogás..................................................................................................................10
2.3.1. Histórico do Biogás.......................................................................................10
2.3.2. A Digestão Anaeróbia ...................................................................................12
2.3.3. Características do Biogás ..............................................................................15
2.4. O Biodigestor...........................................................................................................17
2.4.1. Modelo Indiano .............................................................................................17
2.4.2. Modelo Chinês...............................................................................................18
2.4.3. Modelo Canadense ........................................................................................19
2.5. Conversão de Biogás em Energia Elétrica ..............................................................20
2.6. Balanços Energéticos Agropecuários......................................................................21
2.7. Considerações Finais...............................................................................................23
CAPÍTULO 3 - METODOLOGIA .....................................................................................24
3.1. Introdução................................................................................................................24
3.2. Estimativa da Produção de Biogás e de Biofertilizante...........................................24
3.3. Obtenção do Balanço Energético ............................................................................27
3.3.1. Cálculo da Energia dos Componentes de Entrada e de Saída.......................27
3.3.2. Cálculo da Eficiência Energética...................................................................29
3.4. Considerações Finais...............................................................................................30
CAPÍTULO 4 - O APLICATIVO COMPUTACIONAL ...................................................31
4.1. Introdução................................................................................................................31
4.2. Apresentação do Aplicativo Computacional...........................................................31
4.3. Simulações Utilizando o Aplicativo Computacional SUINOGÁS .........................42
4.3.1. Simulação 1: Cenário Real em Julho de 2007...............................................46
4.3.2. Simulação 2: Cenário com Biodigestores Redimensionados ........................52
4.4. Considerações Finais...............................................................................................55
CAPÍTULO 5 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.....56
5.1. Introdução................................................................................................................56
5.2. Conclusões...............................................................................................................56
5.3. Recomendações para Trabalhos Futuros.................................................................57
ix
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................58
ANEXO A: Relatório da Simulação 1.................................................................................65
ANEXO B: Relatório da Simulação 2.................................................................................75
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Etapas da digestão anaeróbia ..........................................................................12
Figura 2.2 – Biodigestor modelo indiano............................................................................18
Figura 2.3 – Biodigestor modelo chinês..............................................................................19
Figura 2.4 – Biodigestor modelo canadense........................................................................20
Figura 4.1 – Fluxograma simplificado demonstrando o funcionamento do aplicativo
computacional proposto..................................................................................32
Figura 4.2 – Tela principal do aplicativo SUINOGÁS .......................................................33
Figura 4.3 – Formulário para preenchimento das informações gerais da granja.................34
Figura 4.4 – Formulário para preenchimento da quantidade de suínos em cada fase de
criação.............................................................................................................35
Figura 4.5 – Caixa de diálogo para inserção do número de matrizes..................................35
Figura 4.6 – Formulário para preenchimento das entradas de energia direta no sistema
de produção....................................................................................................36
Figura 4.7 – Formulário para preenchimento das entradas de energia indireta no sistema
de produção....................................................................................................37
Figura 4.8 – Formulário para preenchimento das saídas de energia do sistema de
produção.........................................................................................................38
Figura 4.9 – Formulário para dimensionamento da câmara de digestão e cálculo da
produção de biogás.........................................................................................38
Figura 4.10 – Formulário “Consumo de Biogás”................................................................39
Figura 4.11 – Mensagem de aviso de que o consumo de biogás deve ser inferior à
produção........................................................................................................40
Figura 4.12 – Formulário para escolha da visualização do relatório...................................40
Figura 4.13 – Tela de visualização do relatório gerado pelo SUINOGÁS..........................42
Figura 4.14 – Biodigestores modelo canadense – vista da manta superior.........................43
Figura 4.15 – Medidor de vazão de gás...............................................................................43
Figura 4.16 – Grupo motor-gerador de 90 kVA movido a biogás ......................................41
Figura 4.17 – Flare (queimador) utilizado para queimar o biogás excedente .....................45
xi
Figura 4.18 – Diagrama esquemático de funcionamento dos sistemas de produção de
biogás, biofertilizante e energia elétrica.........................................................45
Figura 4.19 – Tela do aplicativo apresentando a quantidade estimada de animais por fase
do ciclo de produção ......................................................................................46
Figura 4.20 – Tela do aplicativo apresentando o consumo de biogás.................................48
Figura 4.21 – Entradas de energia no sistema produtivo (julho de 2007)...........................50
Figura 4.22 – Saída de energia do sistema produtivo (Simulação 1)..................................51
Figura 4.23 – Fluxos de energia na condição de funcionamento atual do sistema..............51
Figura 4.24 – Formulário “Estimativa de Produção de Biogás”.........................................52
Figura 4.25 – Saída de energia do sistema produtivo (Simulação 2)..................................54
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Produção média de dejetos de acordo com as fases do sistema de criação.....9
Tabela 2.2 – Faixas de temperatura para a digestão anaeróbia ...........................................14
Tabela 2.3 – Composição do biogás....................................................................................15
Tabela 2.4 – Equivalência de 1 m³ de biogás com outros energéticos................................16
Tabela 2.5 – Consumo de biogás de acordo com sua utilização.........................................16
Tabela 3.1 – Volume de água utilizada para limpeza das baias e desperdiçada
nos bebedouros...............................................................................................25
Tabela 3.2 – Coeficientes energéticos dos componentes classificados como energia
direta ..............................................................................................................27
Tabela 3.3 – Coeficientes energéticos dos componentes classificados como energia
indireta............................................................................................................28
Tabela 3.4 – Massas médias de máquinas e equipamentos.................................................29
Tabela 4.1 – Entradas de energia direta em julho de 2007..................................................47
Tabela 4.2 – Edificações presentes na granja em julho de 2007.........................................47
Tabela 4.3 – Máquinas e equipamentos presentes na granja em julho de 2007..................47
Tabela 4.4 – Saídas de energia em julho de 2007 (Simulação 1)........................................48
Tabela 4.5 – Consumo de energia direta e indireta (julho de 2007)....................................49
Tabela 4.6 – Saída de energia (Simulação 1)......................................................................50
Tabela 4.7 – Parâmetros utilizados para estimar a produção de biogás..............................53
Tabela 4.8 – Saída de energia (Simulação 2)......................................................................53
Tabela 4.9 – Eficiência energética em diferentes cenários..................................................54
xiii
LISTA DE SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
COPEL Companhia Paranaense de Energia
CRUSP Conjunto Residencial da Universidade de São Paulo
DBO
5
Demanda bioquímica de oxigênio
DE Depreciação energética
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
GLP Gás liquefeito de petróleo
GO Goiás
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
MDL Mecanismo de desenvolvimento limpo
MS Mato Grosso do Sul
NO
X
Óxidos de nitrogênio
PEAD Polietileno de alta densidade
PIB Produto interno bruto
PR Paraná
PUREFA Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas
PVC Cloreto de polivinila
SABESP Companhia de Saneamento Básico de São Paulo
SEB Setor Elétrico Brasileiro
SIE Serviço de Inspeção Estadual
SIF Serviço de Inspeção Federal
SP São Paulo
SV Sólidos voláteis
TRH Tempo de retenção hidráulica
UCC Unidade de ciclo completo
UCT Unidade de crescimento e terminação
UPL Unidade de produção de leitões
USP Universidade de São Paulo
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
1
CAPÍTULO 1 - Introdução
1.1. Introdução
O Estado de Mato Grosso do Sul possui uma população de 2.265.274 habitantes,
segundo estimativa do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) de 2007, e
ocupa uma área de 357.124,962 km². As principais atividades econômicas desenvolvidas
no Estado estão relacionadas à agricultura, à agroindústria, à extração mineral, à produção
de cimento e ao ecoturismo.
Com forte tradição agropecuária, Mato Grosso do Sul é um dos estados de maior
crescimento econômico na Região Centro-Oeste. Entre 1990 e 1998, o estado se
desenvolveu a um ritmo 25% mais acelerado que a taxa acumulada de crescimento do
Brasil. Nesse período, Mato Grosso do Sul mudou também seu perfil econômico,
industrializando-se. Em 1990, a atividade agropecuária correspondia a 24,4% do PIB
estadual, enquanto a indústria era responsável por 13%. Em 1998, cada um desses setores
tinha participação de 22%. Em 2004, tinham, respectivamente, 31,2% e 22,7%.
A chegada de agroindústrias somada ao crescimento da produção de grãos,
principalmente milho e soja, tidos como alimento básico dos suínos, têm estabelecido as
condições adequadas para o desenvolvimento da suinocultura em Mato Grosso do Sul.
O rebanho suíno do Estado saltou de 508.813 cabeças, segundo o Censo
Agropecuário 95/96 (IBGE, 1998) para 938.804 cabeças em 2007 (IBGE, 2007), sendo o
13º maior rebanho suíno entre os estados brasileiros. A suinocultura constitui a terceira
maior atividade pecuária, ficando atrás apenas da bovinocultura e da avicultura.
O parque industrial sul-mato-grossense conta com dois frigoríficos com Selo de
Inspeção Federal (SIF) e oito com Selo de Inspeção Estadual (SIE), com capacidade para
abater aproximadamente 15 mil suínos por semana.
A suinocultura sul-mato-grossense apresenta seu processo produtivo diversificado
nos três principais sistemas de produção existentes
1
: unidade de produção de leitões (UPL),
unidade de crescimento e terminação (UCT) e unidade de ciclo completo (UCC)
(SINOTTI, 2005).
1
Unidade de ciclo completo (UCC): unidade de produção onde existem todas as fases do ciclo produtivo de
suínos do nascimento à engorda; unidade de produção de leitões (UPL): unidade de produção onde existe
somente a fase do ciclo produtivo que compreende os reprodutores, o nascimento dos leitões (maternidade) e
crescimento inicial (creche, peso de 6 a 25 kg); unidade de crescimento e terminação (UCT): unidade de
produção de suínos com peso compreendido entre 25 e 100 kg, podendo chegar, em alguns casos, a 120 kg.
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
2
O plantel de suínos do Estado está distribuído em aproximadamente 300
propriedades rurais, caracterizando a predominância de médios e grandes produtores de
suínos.
1.2. Justificativa
Até a década de 1970, os dejetos de suínos não representavam grande problema,
pois o número de animais era reduzido e os dejetos eram utilizados para a adubação do
solo. O aumento da demanda por carne suína no mercado, tanto interno como externo,
promoveu a introdução da suinocultura intensiva e confinada, permitindo um grande
crescimento na produtividade. A conseqüência deste aumento de produção é a geração de
grandes quantidades de resíduos que, muitas vezes, são inadequadamente manejados,
tornando-se numa das principais fontes poluidoras do solo e dos mananciais de água.
A maioria das propriedades suinícolas, por não possuir equipamentos e construções
adequadas para o armazenamento e tratamento do dejeto, induz o seu lançamento em rios e
cursos d’água naturais, promovendo assim, em muitos casos, a deterioração destes
ambientes. Cria-se então a necessidade de alternativas que permitam minimizar o problema
e, ainda, agregar algum valor aos resíduos e promover o saneamento ambiental. Nesse
sentido, a implementação de reatores de digestão anaeróbia com geração e utilização de
biogás apresenta-se como uma alternativa interessante para a mitigação desses problemas
ambientais.
A utilização de biodigestores (locais adequadamente projetados para a ocorrência
dos processos de digestão anaeróbia da matéria orgânica) apresenta como vantagens a
agregação de valor econômico dos dejetos, devido ao aproveitamento de biofertilizante e
do biogás, dois subprodutos gerados no tratamento. O biofertilizante é um fertilizante
orgânico constituído por macrominerais e microminerais essenciais ao desenvolvimento
das culturas vegetais. O biogás pode ser utilizado como fonte energética em diversas
alternativas de geração de eletricidade e calor, possibilitando a substituição de
combustíveis de origem fóssil. As vantagens adicionais da utilização de biodigestores são a
redução da emissão de metano (CH
4
), que normalmente seria emitido para a atmosfera
pelas esterqueiras e lagoas de estabilização e a diminuição da poluição do solo e dos
recursos hídricos. Ademais, reduz a proliferação de moscas e reduz o odor desagradável
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
3
provocado pela produção de gás sulfídrico (H
2
S), característico de material orgânico em
putrefação.
Aliada à presença de fábrica de ração, a suinocultura é uma atividade caracterizada
pelo alto consumo de energia. Portanto, o aproveitamento da energia contida no biogás
pode baratear o custo de produção de suínos e melhorar sua eficiência energética. A análise
do seu fluxo de energia através da realização de um estudo de balanço energético se
constitui em importante abordagem técnica para se avaliar sua sustentabilidade e indicar
possíveis focos de desperdício de energia, buscando maior racionalização energética.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é a implementação de aplicativo computacional para
obtenção e análise de balanço energético em granja de suínos com aproveitamento de
biogás e de biofertilizante.
1.3.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos a serem atingidos com a realização do presente trabalho
são:
• Estimar a produção de biogás e de biofertilizante a partir da quantidade de
suínos, considerando-se as particularidades de cada fase do ciclo de produção;
• Desenvolvimento de algoritmo de cálculo do balanço energético e
Implementação computacional (Aplicativo SUINOGÁS).
• Analisar, através de um estudo de caso utilizando o aplicativo proposto, o
balanço energético de uma granja de suínos com geração de energia elétrica
utilizando biogás;
• Determinar possíveis focos de desperdício de energia e sugerir algumas
recomendações para o melhor aproveitamento dos energéticos disponíveis na
granja em estudo.
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
4
1.4. Revisão de Literatura
Para a realização deste trabalho foi realizada uma revisão bibliográfica para a
contextualização do assunto. Serão apresentados alguns estudos já realizados cujo foco são
a produção de biogás, geração de energia elétrica a partir do biogás e balanços energéticos
em propriedades rurais com utilização de biodigestores.
1.4.1. Produção de Biogás
No Brasil já foram apresentados vários estudos relacionados à produção de biogás a
partir de esgoto e dejetos de animais.
Em 2003, Gaspar apresentou um estudo que investiga se a instalação de
biodigestores em pequenas e médias propriedades suinícolas representava uma solução
para o problema da poluição dos cursos d’água na região de Toledo, PR, por dejetos
provenientes da suinocultura. No estudo, o biodigestor escolhido foi o modelo chinês, com
capacidade de produzir 4,20 m³ de biogás por dia, volume suficiente para atender às
necessidades diárias (chuveiro, ferro de passar roupas, geladeira de 250 litros, iluminação
com lampiões) de uma família de quatro pessoas. O modelo proposto se mostrou uma
alternativa viável ambientalmente para combater o problema citado e, ao mesmo tempo,
através da produção de biogás e de biofertilizante, houve a agregação de valor às
propriedades criadoras de suínos.
Henn (2005) apresentou e discutiu os resultados obtidos no processo de tratamento
e armazenamento de dejetos de suínos, composto por uma esterqueira e um biodigestor
seguido de outra esterqueira. Implantado e construído em escala real, o sistema estudado
tinha como finalidade a redução da matéria orgânica poluente e a valorização do efluente
como biofertilizante e gerador de biogás. A tecnologia implantada na propriedade rural
obteve alta remoção das cargas poluidoras.
1.4.2. Geração de Energia Elétrica a partir do Biogás
Tratando-se especificamente de geração de energia elétrica a partir do biogás, há
diversos trabalhos publicados.
Souza et al. (2004) realizaram um cálculo do custo da eletricidade gerada em
conjunto motor-gerador utilizando o biogás da suinocultura. Por meio das análises dos
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
5
resultados, observou-se que a viabilidade do sistema depende da tarifa paga pelo
proprietário rural à concessionária de energia. Para uma tarifa de R$ 190,00/MWh e
operação de 10 horas por dia, o retorno do investimento seria de 5,4 anos.
Em 2006, foi realizado por Costa um estudo cujo objetivo foi avaliar o potencial de
geração de energia elétrica utilizando o biogás produzido através do tratamento de esgoto
da Estação de Tratamento de Esgoto da Companhia de Saneamento Básico de São Paulo
(SABESP), na cidade de Barueri, SP. Foram analisados os aspectos técnicos, econômicos e
ambientais do projeto Energ-Biog. Este projeto teve dentre seus objetivos, o estudo
comparativo de desempenho entre duas tecnologias, microturbina e motor-gerador, ambos
com potência de 30 kW. A grande vantagem da utilização de microturbinas constatada pelo
estudo é a menor taxa de emissão de NO
X
em comparação com a tecnologia de grupos
geradores. No entanto, quando a análise financeira é considerada, o resultado é
extremamente desfavorável para a microturbina.
Em Pecora (2006) foi apresentado um projeto de geração de energia elétrica a partir
do biogás proveniente do tratamento do esgoto residencial da Universidade de São Paulo
(USP). Foram desenvolvidas duas metas demonstrativas pertencentes ao Programa de Uso
Racional de Energia e Fontes Alternativas (PUREFA), que tiveram como objetivo a
captação do biogás proveniente do tratamento do esgoto do Conjunto Residencial da
Universidade de São Paulo (CRUSP), sua purificação e armazenamento, para posterior
geração de energia elétrica, utilizando um motor de ciclo Otto. A geração para o
atendimento de uma carga de 14 kW mostrou-se viável, com tempo de retorno de
investimento de 10,74 meses.
Em uma propriedade de criação de gado leiteiro no oeste do Paraná, foi realizado
um estudo para avaliar a geração de energia elétrica a partir do biogás formado pela
digestão anaeróbia dos dejetos dos bovinos, utilizando um motor de combustão interna
adaptado para o biogás e acoplado a um gerador elétrico (COLDEBELLA et al., 2006). Os
resultados obtidos confirmaram a viabilidade do sistema, com tempo de retorno de quatro
anos com operação de 10 horas por dia.
Diaz (2006) realizou uma análise de sistemas de resfriamento de leite em
propriedades de criação de gado leiteiro utilizando o biogás obtido por intermédio de
mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL). No trabalho foram analisados os aspectos
técnicos ligados ao dimensionamento dos sistemas de resfriamento, biodigestão e geração.
Foram avaliados o consumo dos diferentes insumos energéticos e quantificação dos
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
6
créditos de carbono, bem como os aspectos econômicos. O estudo mostra que a utilização
de um gerador acionado por um motor de ciclo Otto movido a biogás é a melhor
configuração para um novo sistema. Para sistemas já existentes, a substituição da compra
de energia elétrica por geração local também é uma alternativa interessante, porém com um
tempo de retorno de investimento de 2,25 anos.
1.4.3. Balanço Energético em Propriedades Rurais com Produção de Biogás
Tratando-se de estudo de balanço energético em propriedades rurais que utilizam
biodigestores, alguns trabalhos já foram apresentados. Santos & Lucas Jr. (2004)
apresentaram um estudo de balanço energético após acompanhamento de oito lotes de
criação de frangos de corte, em galpão comercial no município de Sertãozinho, SP. Foi
quantificado o poder calorífico de cada componente envolvido no processo de produção
(direto e indireto, entradas e saídas), utilizando-os posteriormente para o cálculo do
coeficiente de eficiência energética. Determinaram-se os consumos de ração (kg),
produção de frango vivo (kg), aves mortas/descartadas (kg), produção de cama de frango
(kg), água (L), gás liquefeito de petróleo (kg), energia elétrica (kWh), combustíveis (L),
mão-de-obra (hora-homem), máquinas e implementos (horas) e instalações e equipamentos
(m² e horas). O fluxo líquido de energia demonstrou que a atividade possui alto consumo
energético, apresentando eficiência energética de 28%. Ainda, segundo o estudo, da
energia de saída, 46,7% poderia retornar ao sistema na forma de biogás.
Em 2006, Angonese et al. publicaram um estudo de eficiência energética de um
sistema de produção de suínos com tratamento dos resíduos em biodigestor, através do
acompanhamento de um lote de 120 dias, em sistema comercial, em Ouro Verde do Oeste,
PR. Quantificou-se o coeficiente energético de cada componente envolvido no processo de
produção e tratamento dos resíduos, por meio de biodigestor (entradas e saídas) e se
determinaram as matrizes de consumo energético nas formas de ração, energia elétrica,
mão-de-obra, equipamentos, instalações, produção de suínos vivos, biofertilizante e biogás.
Os resultados indicaram que a atividade importa grande parte da energia consumida no
processo de produção, com eficiência energética de 38%.
Um estudo de caso baseado na geração de biogás a partir de rejeitos suínos foi
analisado por Lira et al. (2007), em granja de suínos localizada em Rio Verde, GO. O
estudo mostra que a energia do biogás produzido na granja pode ser parcialmente
Capítulo 1 – Introdução___________________________________________________
7
recuperada através de um projeto MDL, com a finalidade de aumentar a eficiência
energética do sistema. De acordo com a estimativa dos autores, a conversão do biogás
gerado exclusivamente em energia elétrica, elevaria a eficiência energética de 0,37 para
0,38.
1.5. Organização do Trabalho
O presente trabalho está dividido em 5 capítulos. Neste capítulo introdutório foram
descritos a contextualização do assunto, a justificativa e os objetivos gerais e específicos,
além de apresentar a revisão de literatura sobre o tema.
O capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos necessários à realização deste
estudo. São abordados os aspectos ambientais da suinocultura e conceitos sobre biogás,
biodigestores, conversão de biogás em energia elétrica e balanços energéticos
agropecuários.
O capítulo 3 descreve a metodologia que foi utilizada para o desenvolvimento deste
trabalho. São apresentadas as equações e constantes que foram utilizadas na elaboração do
aplicativo computacional.
O capítulo 4 é destinado à apresentação do aplicativo, onde são mostradas as suas
interfaces (telas) e o seu modo de utilização. Apresenta ainda exemplos de utilização do
aplicativo, baseados em estudo de caso na Fazenda Rancho Alegre, situada no município
de Campo Grande, MS.
O capítulo 5 apresenta a discussão dos resultados e sugestões para trabalhos
futuros.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
8
CAPÍTULO 2 – Fundamentos Teóricos
2.1. Introdução
De forma a buscar suporte necessário à realização deste estudo, é apresentada neste
capítulo uma breve revisão teórica acerca dos aspectos ambientais da suinocultura,
produção e características do biogás, tipos e princípios de funcionamento de biodigestores,
conversão de biogás em energia elétrica e aspectos de balanços energéticos agropecuários.
2.2. Aspectos Ambientais
Até a década de 1970, a produção e o tratamento de dejetos suínos não constituíam
fator preocupante, pois a concentração de suínos era pequena e eram utilizados como
adubo orgânico. O desenvolvimento da suinocultura intensiva promoveu a produção de
grandes quantidades de dejetos, normalmente armazenados em lagoas e depósitos abertos,
onde se desenvolve a produção de gases nocivos que são transferidos para a atmosfera
(KONZEN, 2006). O efeito imediato desse desenvolvimento é a contaminação, acima dos
níveis toleráveis, de fontes hídricas e do solo.
O volume de dejetos suínos produzidos depende do tipo da criação, construções,
alimentação, distribuição de água, manejo adotado e estado psicológico dos animais
(BELLI Fº, 1995).
Segundo Konzen (1980), a produção média diária por unidade de suíno é de 8,6
litros/dia. A Tabela 2.1 apresenta as variações das quantidades de dejetos líquidos
produzidos de acordo com diferentes fases do sistema de criação.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
9
Tabela 2.1: Produção média de dejetos de acordo com as fases do sistema de criação.
Fases do
Sistema de
Produção
Esterco
(kg/dia)
Esterco +
Urina
(kg/dia)
Dejetos
Líquidos
(L/dia)
Esterco + Urina
(m³/animal/mês)
Dejetos Líquidos
(m³/animal/mês)
25 a 100 kg 2,30 4,90 7,00 0,16 0,25
Gestação 3,60 11,00 16,00 0,34 0,48
Lactação 6,40 18,00 27,00 0,52 0,81
Macho 3,00 6,00 9,00 0,18 0,28
Creche 0,35 0,95 1,40 0,04 0,05
Média 2,35 5,80 8,60 0,17 0,27
Fonte: Konzen (1980).
A composição do dejeto suíno varia em função da quantidade de água usada nas
instalações, tipo de alimento e idade dos animais, sendo que a composição mais completa
de resíduos líquidos está na fase de crescimento e terminação (TOBIAS, 2002).
Comparativamente ao esgoto doméstico, os dejetos suínos são até 260 vezes mais
poluentes. A demanda bioquímica de oxigênio para cinco dias (DBO
5
) do esgoto
doméstico é de 0,200 g/L enquanto que a DBO
5
dos dejetos suínos oscila entre 30 e 52 g/L
(OLIVEIRA, 1993).
O esterco, tanto na forma líquida como sólida, aplicado ao solo ou armazenado em
lagoas sem revestimento por um longo período, pode provocar a saturação dos mesmos,
provocando infiltração, atingindo assim águas subterrâneas ou superficiais provocando
problemas de contaminação (OLIVEIRA, 1993).
Segundo Gaspar (2003), é prática comum, nas áreas suinícolas, a utilização dos
dejetos dos animais como adubo orgânico. Sabe-se que dejetos suínos possuem grande
capacidade de fertilização se usados de forma correta. Porém, esse fertilizante natural pode
tornar-se numa fonte potencial de poluição quando não manejado adequadamente.
Os dejetos de suínos são ricos em nitrogênio, fósforo e potássio, e seu material
orgânico apresenta uma alta DBO
5
. São o fósforo e a alta DBO
5
que causam grandes
impactos ao ecossistema aquático de superfície, sendo o fósforo responsável pelo processo
de eutrofização das águas e a DBO
5
pela redução do oxigênio disponível. Já o nitrogênio
oferece mais risco de contaminação da água subterrânea quando lixiviado (MERTEN &
MINELLA, 2002). A eutrofização é um fenômeno causado pelo excesso de nutrientes
(compostos químicos ricos em fósforo ou nitrogênio) num volume de água, o que leva à
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
10
proliferação excessiva de algas, que, ao entrarem em decomposição, levam ao aumento do
número de microorganismos e à conseqüente deterioração da qualidade desse volume de
água.
Os principais gases nocivos existentes em torno dos sistemas de confinamento de
suínos são a amônia, o gás sulfídrico, o dióxido de carbono e por inúmeros compostos
orgânicos resultantes da decomposição biológica da matéria orgânica do esterco
(OLIVEIRA, 1993).
Os odores desagradáveis são produzidos pela amônia, gás sulfídrico e pelos
compostos orgânicos provenientes da decomposição da matéria orgânica.
2.3. O Biogás
O biogás é uma mistura gasosa inflamável, produto da digestão anaeróbia de
resíduos orgânicos. A produção de biogás é possível a partir de diversos resíduos
orgânicos, como estercos de animais, lodo de esgoto, lixo doméstico, resíduos agrícolas,
efluentes industriais e plantas aquáticas.
2.3.1. Histórico do Biogás
A descoberta do biogás ou “gás dos pântanos” é atribuída a Shirley em 1667
(CLASSEN et al., 1999). Porém, apenas em 1776, é que se reconheceu a presença de
metano no “gás dos pântanos”, descoberta feita pelo físico italiano Alessandro Volta
(CECCHINI & PELOSI, 1992).
A primeira utilização do metano produzido por digestão anaeróbia surgiu na Índia,
mais precisamente numa colônia de leprosos em Bombaim, em 1859, onde foi construída
uma instalação destinada à produção de gás combustível.
Em 1884, Ulysse Grayon, aluno de Louis Pasteur, realizou a fermentação anaeróbia
de uma mistura de estrume e água, à temperatura de 35°C, obtendo 100 L de biogás por m³
de matéria (NOGUEIRA, 1986). Devido ao grande volume de biogás obtido, Pasteur
concluiu que este gás poderia ser utilizado para aquecimento e iluminação.
Donald Cameron projetou, em 1890, uma fossa séptica para a cidade de Exeter,
Inglaterra, sendo o gás produzido utilizado para a iluminação pública (NOGUEIRA, 1986).
Apenas nas décadas de 1950 e 1960 é que o processo de biodigestão passou a ser
utilizado de forma mais intensa na Índia e na China. A crise do petróleo em 1973 levou
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
11
muitos países, desenvolvidos e subdesenvolvidos, a utilizarem os biodigestores como fonte
de energia alternativa, entre os quais o Brasil.
No Brasil, os principais modelos implantados foram o chinês e o indiano. Na região
Nordeste foram implantados vários programas de difusão de biodigestores. Posteriormente,
uma série de fatores foi responsável pela desaceleração nos programas de disseminação e
os biodigestores caíram em desuso (BOLETIM ENFOQUE, 2002), entre os quais podemos
citar:
• Falta de conhecimento tecnológico sobre a construção e operação dos
biodigestores;
• Custos de implantação e manutenção elevados (câmaras de alvenaria, concreto
ou pedra, gasômetros de metal);
• O aproveitamento do biofertilizante continuava a exigir equipamentos de
distribuição na forma líquida, com custos de aquisição, transporte e distribuição
elevados;
• Falta de equipamentos desenvolvidos exclusivamente para o uso do biogás e a
baixa durabilidade dos equipamentos adaptados para a conversão do biogás em
energia (queimadores, aquecedores e motores);
• Ausência de condensadores para água e de filtros para os gases corrosivos
gerados no processo de biodigestão;
• Disponibilidade e baixo custo da energia elétrica e do GLP;
• Não resolução da questão ambiental, pois os biodigestores, por si só, não são
considerados como um sistema completo de tratamento. Outros fatores, como
erros grosseiros de dimensionamento, construção e operação, foram
determinantes para o insucesso dos biodigestores.
Passados aproximadamente 30 anos os biodigestores ressurgem como alternativa ao
produtor, graças à disponibilidade de novos materiais para a construção dos biodigestores
e, evidentemente, da maior dependência de energia das propriedades em função do
aumento da escala de produção e dos custos da energia tradicional. O emprego de mantas
plásticas na construção de biodigestores, material de alta versatilidade e baixo custo, é o
fator responsável pelo barateamento dos investimentos de implantação e da sua
disseminação (OLIVEIRA et al., 2005).
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
12
Outro estímulo é a possibilidade de utilizar o biogás para geração de energia
elétrica para o consumo da propriedade rural e comercializar a energia excedente para a
concessionária local de energia elétrica, dada a reestruturação do SEB (Setor Elétrico
Brasileiro). Um exemplo pioneiro é o da COPEL (Companhia Paranaense de Energia), que
firmou, em fevereiro de 2009, os primeiros contratos do SEB para aquisição de energia
elétrica produzida a partir da biodigestão de resíduos orgânicos. A iniciativa pioneira da
COPEL tem respaldo em autorização concedida no final de julho de 2008 pela ANEEL
(Agência Nacional de Energia Elétrica), como resultado de testes bem sucedidos feitos
pela COPEL, em parceria com a Itaipu Binacional, numa propriedade rural dedicada à
suinocultura em São Miguel do Iguaçu, PR (AEN, 2009).
2.3.2. A Digestão Anaeróbia
A formação do biogás ocorre por meio de um processo de digestão anaeróbia, no
qual a matéria orgânica é decomposta por bactérias metanogênicas na ausência de
oxigênio. As etapas da digestão anaeróbia são mostradas na Figura 2.1.
Compostos Orgânicos
Complexos
HIDRÓLISE
CO
2 + H2
Compostos Orgânicos
Simples
Ácidos Graxos Voláteis
ACIDOGÊNESE
ACETOGÊNESE
Acetato
CH4 e CO2
METANOGÊNESE
METANOGÊNESE
Biogás
Figura 2.1: Etapas da digestão anaeróbia.
Fonte: Adaptado de Bitton (2005).
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
13
Conforme Chernicharo (1997), o processo de digestão anaeróbia apresenta quatro
etapas:
• Hidrólise: por ação de exoenzimas liberadas pelas bactérias fermentativas
hidrolíticas, os materiais particulados complexos (polímeros) são convertidos
em materiais dissolvidos mais simples, sendo reduzidos em moléculas menores
que são capazes de atravessar as paredes celulares das bactérias fermentativas.
• Acidogênese: por ação de bactérias fermentativas acidogênicas, os compostos
formados na fase de hidrólise são convertidos em diversos compostos mais
simples, tais como ácidos graxos voláteis, álcoois, ácido lático, gás carbônico,
hidrogênio, amônia e gás sulfídrico.
• Acetogênese: as bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos
produtos gerados na fase acidogênica em substrato apropriado para as bactérias
metanogênicas; os produtos gerados são o hidrogênio, o dióxido de carbono e o
acetato.
• Metanogênese: é a etapa final do processo de degradação da matéria orgânica,
sendo esta convertida em metano e dióxido de carbono por ação das bactérias
metanogênicas.
Segundo Sosa et al. (2004), a digestão anaeróbia é influenciada pelos seguintes
fatores:
• Temperatura;
• pH;
• Nutrientes;
• Toxicidade;
• Nível de carga;
• Tempo de retenção hidráulica (TRH).
A temperatura afeta diretamente a velocidade do metabolismo das bactérias, o
equilíbrio iônico e a solubilidade do substrato. As bactérias metanogênicas são bastante
sensíveis a mudanças de temperatura.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
14
Três faixas de temperatura são associadas ao crescimento bacteriano na maioria dos
processos biológicos, apresentadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2: Faixas de temperatura para a digestão anaeróbia.
Faixa Temperatura (°C)
Psicrófila 10 a 25
Mesófila 20 a 45
Termófila Acima de 45
Fonte: Sosa et al. (2004).
A atividade enzimática é fraca a 10ºC e nula acima dos 65ºC. A opção por uma
temperatura de trabalho terá de resultar do compromisso entre o volume de gás a produzir,
o grau de fermentação e o tempo de retenção. Na fase mesófila, as variações de
temperatura são aceitáveis desde que não sejam bruscas. O mesmo não acontece na faixa
termófila, onde as variações não são aconselháveis. Todavia, ela permite cargas mais
elevadas e um tempo de retenção menor, com maiores taxas de produção de biogás
(COSTA, 2006).
Outro parâmetro importante na digestão anaeróbia é o pH. Segundo Costa (2006),
em meio ácido, a atividade enzimática das bactérias é nula. Em meio alcalino, a
fermentação produz anidrido sulfuroso e hidrogênio. A faixa de pH ótima está
compreendida entre 6,6 e 7,6 (YOUGFU et al., 1989).
Além de uma fonte de carbono orgânico, os microorganismos requerem nitrogênio
e fósforo. A relação carbono/nitrogênio (C/N) possui valor ótimo próximo a 30. Uma
relação inferior a 8 inibe a atividade bacteriana devido à formação excessiva de amônia
(WERNER et al., 1989). A relação C/N em dejetos suínos é próximo a 15 (GOVERNO DE
PERNAMBUCO, 1980). Para manter a relação C/N próxima de 30, convém acrescentar
galhos, folhas e frutos aos dejetos, objetivando o aumento da quantidade de carbono
(CAEEB, 1981).
Quanto à toxicidade, deve-se ter a precaução de não permitir a entrada de
desinfetantes, sarnicidas, bactericidas e substâncias químicas sintéticas no biodigestor, sob
risco de paralisar a atividade bacteriana.
O nível de carga está relacionado com a quantidade de sólidos voláteis (SV),
responsáveis diretos pela produção de biogás (LUCAS JR., 1994). Quanto maior a
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
15
quantidade de sólidos voláteis na alimentação diária do biodigestor, maior será a
capacidade do biodigestor para a produção de biogás.
O TRH é definido como o tempo que o substrato deve permanecer no biodigestor
para que seja digerido pelas bactérias anaeróbias. O TRH adotado usualmente no Brasil
situa-se entre 22 e 30 dias (OLIVEIRA et al., 2005).
2.3.3. Características do Biogás
O biogás é uma mistura de gases composta por cerca de 50% a 80% de metano e de
20% a 40% de dióxido de carbono. É formado também, em quantidade reduzida, por
outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono e amônia.
A composição do biogás varia de acordo com o resíduo utilizado, condições climáticas e
características do biodigestor, entre outros. Apresenta, porém, de forma aproximada, a
composição mostrada na Tabela 2.3.
Tabela 2.3: Composição do biogás.
Gás Quantidade (%)
Metano 50 a 80
Dióxido de Carbono 20 a 40
Hidrogênio 1 a 3
Nitrogênio 0,5 a 3
Ácido sulfídrico e outros 1 a 5
Fonte: La Farge (1979).
O metano, principal componente do biogás, não possui cheiro, cor ou sabor, mas os
outros gases presentes conferem-lhe um ligeiro odor desagradável (BARRERA, 1993). Sua
chama apresenta uma coloração azul-lilás. Não produz fuligem e seu índice de poluição
atmosférica é inferior ao do butano, presente no gás de cozinha.
Segundo Gaspar (2003), o biogás, por apresentar uma alta porcentagem de metano
em sua composição, possui um alto poder calorífico, que varia de 5.000 a 7.000 kcal/m³, e
que, submetido a um alto índice de purificação, pode atingir o valor de 12.000 kcal/m³.
O poder calorífico do biogás aumenta quanto maior for a concentração de metano,
uma vez que o dióxido de carbono presente no biogás é uma forma oxidada do carbono,
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
16
não podendo ser queimado. A Tabela 2.4 mostra a equivalência de 1 m³ de biogás com
outros energéticos.
Tabela 2.4: Equivalência de 1 m³ de biogás com outros energéticos.
Energético Quantidade Equivalente a 1 m³ de Biogás
Gasolina 0,613 L
Querosene 0,579 L
Diesel 0,553 L
GLP 0,454 kg
Álcool 0,79 L
Carvão Mineral 0,735 kg
Lenha 1,538 kg
Energia Elétrica 1,428 kWh
Fonte: Sganzerla (1983).
Sendo um gás combustível, o biogás pode ser utilizado em diversas atividades
domésticas e rurais. Dos usos finais do biogás, a combustão direta e a operação de motores
de combustão interna são os mais comuns (DIAZ, 2006). Na Tabela 2.5 é mostrado o
consumo de biogás em diferentes usos.
Tabela 2.5: Consumo de biogás de acordo com sua utilização.
Utilização Consumo
Fogão 0,33 m³/dia/pessoa
Lampião 0,12 m³/h
Chuveiro 0,8 m³/banho
Motor de Combustão Interna 0,45 m³/hp/h
Aquecimento de Água a 100°C 0,08 m³/L
Incubadora 0,71 m³/m³ de volume interno/h
Geração de Energia Elétrica 0,62 m³/kWh
Fonte: CETEC (1982).
Devido à presença de H
2
S (gás tóxico, corrosivo e de odor desagradável) em sua
composição, o biogás deve passar por um tratamento antes de sua utilização. Segundo o
TECPAR (2002), uma maneira de remover o gás sulfídrico é através da utilização de
esponjas ou limalhas de ferro e resíduos de serragem da madeira, formando assim um filtro
purificador. A serragem serve para absorver a umidade e evitar formação de blocos de
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
17
ferro no interior do filtro, os quais impediriam a circulação do biogás dentro do
purificador. O ferro metálico em contato com o gás sulfídrico reage formando sulfetos de
ferro. Após certo período, todo o ferro é transformado em sulfeto, assim o filtro perde sua
capacidade de purificação, sendo necessário renovar os elementos do purificador.
2.4. O Biodigestor
O biodigestor é o local adequadamente projetado para a ocorrência dos processos
de digestão anaeróbia da matéria orgânica. O biodigestor constitui-se de uma câmara
fechada onde é colocado o material orgânico, em solução aquosa, onde sofre
decomposição, gerando o biogás que irá se acumular na parte superior da referida câmara.
Os tipos de biodigestor mais difundidos são os modelos indiano, chinês e
canadense, sendo este último bastante utilizado recentemente, principalmente pelo
desenvolvimento de geomembranas que facilitam a construção dos biodigestores (KUNZ
& OLIVEIRA, 2006).
2.4.1. Modelo Indiano
O biodigestor modelo indiano é caracterizado por possuir uma campânula flutuante
como gasômetro, fazendo dele um biodigestor de pressão constante, e uma parede central,
que divide longitudinalmente o reservatório de fermentação em duas câmaras. Em uma
metade é conectado o tubo de entrada e na outra metade o tubo de saída. Como mostrado
na Figura 2.2, o cilindro fica na posição vertical e é construído com tijolos e revestido
internamente por cimento e impermeabilizantes.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
18
Selo
d'água
Campânula
Tanque de
entrada
Tanque
de saída
Guia
Saída
de gás
Substrato Substrato
Biogás
Figura 2.2: Biodigestor modelo indiano.
Fonte: Adaptado de Nogueira (1986).
A função das duas câmaras é possibilitar a circulação do material em fermentação
no interior do cilindro. A porção do substrato que entra no biodigestor vai para o fundo e,
com o avanço do processo, fica menos densa e tende a subir, até cair para a outra metade
da câmara. Para que o gás não escape, na parte superior do cilindro há uma campânula que
flutua sobre o próprio substrato ou sobre um selo d’água. Este mecanismo permite que a
pressão no interior do biodigestor permaneça constante, mesmo com a variação do volume.
2.4.2. Modelo Chinês
O modelo chinês se caracteriza por não possuir gasômetro, sendo que o gás é
armazenado no interior do próprio reator, e por ser construído totalmente enterrado no
solo. É feito geralmente em alvenaria e possui teto em forma de abóboda, conforme pode
ser observado na Figura 2.3. O custo de construção é inferior ao modelo indiano por não
necessitar de gasômetro e utilizar materiais de menor custo e de fácil aquisição.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
19
Tanque de
entrada
Saída
de gás
Tanque
de saída
Substrato
Biogás
Figura 2.3: Biodigestor modelo chinês.
Fonte: Adaptado de Nogueira (1986).
Este modelo é dito ser de pressão variável. Quanto maior a quantidade de gás no
interior da câmara, maior será a pressão, fazendo com que o efluente se desloque para o
tanque de saída, e em sentido contrário quando ocorre uma descompressão (BENINCASA
et al., 1990).
2.4.3. Modelo Canadense
O modelo canadense caracteriza-se por possuir uma base retangular construída de
alvenaria, onde é depositado o substrato, e gasômetro feito em manta flexível de PVC fixa
sobre uma valeta coberta de água que circunda a base, tal como pode ser visualizado na
Figura 2.4. É mais usado em regiões quentes onde a temperatura ambiente ajuda a manter a
temperatura no biodigestor em níveis adequados para a realização do processo de digestão
anaeróbia.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
20
Substrato
Biogás
Tanque de
entrada
Tanque
de saída
Manta de
PVC
Saída de
gás
Figura 2.4: Biodigestor modelo canadense.
Fonte: Adaptado de AgCert (2007).
A cobertura consiste de uma geomembrana sintética de polietileno de alta
densidade (PEAD), que é fixada por um sistema de ancoragem ao redor de todo o
perímetro do biodigestor. O PEAD é um excelente produto para grandes aplicações que
exigem resistência contra radiação ultravioleta, ozônio e compostos químicos (AGCERT,
2005).
2.5. Conversão de Biogás em Energia Elétrica
Existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética de biogás em
energia elétrica. Nessa conversão energética, a energia química contida nas moléculas do
biogás é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada. Essa
energia mecânica produz torque em um gerador que a converte em energia elétrica.
As microturbinas a gás e os motores de combustão interna de ciclo Otto são as
tecnologias mais utilizadas para esse tipo de conversão energética, porém, a utilização de
microturbinas ainda apresenta custos elevados e o seu tempo de vida útil operando com
biogás ainda é baixo (SOUZA et al., 2004).
De acordo com Santos (2000), a relação de equivalência de energia entre a energia
elétrica e o biogás é de 6,5 kWh/m³. Porém, a conversão do biogás em eletricidade
utilizando grupos geradores (motor de combustão interna) possui um rendimento médio de
25%, o que reduz a equivalência para 1,62 kWh/m³.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
21
Existem basicamente dois tipos de motores de combustão interna: ciclo Otto e ciclo
Diesel. Os motores de ciclo Otto caracterizam-se pela combustão da mistura ar-
combustível ser provocada por uma centelha produzida por uma vela de ignição, enquanto
que nos motores de ciclo Diesel, a combustão ocorre em função da compressão da mistura.
Os motores de ciclo Otto necessitam de pequenas modificações para poderem
utilizar o biogás como combustível. Porém, os motores de ciclo Otto não são os mais
indicados para geração de eletricidade. O mais apropriado é o motor de ciclo Diesel, pela
sua maior robustez e menor custo para uma mesma potência, comparado ao de ciclo Otto.
A introdução de biogás em motores de ciclo Diesel pode ser obtida mediante duas
tecnologias: a “ottolização” e a conversão bicombustível diesel/gás (PEREIRA et al.,
2005).
Segundo Pereira et al. (2005), na dita “ottolização”, grandes modificações nos
motores são necessárias. Todo o sistema de injeção de Diesel é retirado e, em seu lugar,
instalam-se um sistema de carburação do gás ao ar de admissão e o sistema elétrico com
velas para a ignição, que passa a ser feita por centelha. Também são necessárias
modificações nos cabeçotes dos motores para a adequação de sua taxa de compressão
(motores do ciclo Otto trabalham com taxas de compressão inferiores aos motores Diesel).
Não são raras perdas de potência e performance de um motor “ottolizado”.
Na operação bicombustível (diesel e biogás simultaneamente) em motores de ciclo
Diesel, o biogás é introduzido juntamente com o ar na fase de admissão, e a ignição é
efetuada por uma pequena injeção-piloto de diesel para proporcionar a ignição por
compressão, dando início à combustão do gás que é admitido no cilindro pelo coletor de
admissão (OBERT, 1971). Esse sistema apresenta a vantagem de não exigir modificações
no motor.
2.6. Balanços Energéticos Agropecuários
O balanço energético se baseia nas duas leis da Termodinâmica. A Primeira Lei da
Termodinâmica (Lei da Conservação de Energia) diz que a energia não pode ser criada ou
destruída, mas pode apenas mudar de uma forma para outra. De acordo com este princípio,
não haveria necessidade de se descobrir novas fontes energéticas, já que a reciclagem
permitiria a utilização da energia indefinidamente. Porém, essa assertiva encontra limitação
na Segunda Lei da Termodinâmica (Lei da Entropia).
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
22
A Lei da Entropia resume-se ao fato de que “nenhum processo que implique uma
transformação de energia ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação da
energia de uma forma concentrada para uma forma dispersa” (ODUM, 1986). Em outras
palavras, a passagem de energia de uma forma para outra implica em perdas, pois parte da
energia sempre se transforma em energia térmica não disponível.
O estudo da energia empregada em sistemas agrícolas, seus fluxos, distribuição e
conversão constituem importante instrumental para avaliação da sustentabilidade destes
sistemas. Este procedimento possibilita a determinação dos processos, materiais e
equipamentos de maior consumo energético, indicando opções de economia (CAMPOS et
al., 2003).
A análise de fluxo energético requer a unificação do produto de diferentes fontes e
conversores de energia, como máquinas, trabalho humano e combustível, em uma mesma
unidade calórica (COMITRE, 1995).
Assim, o balanço de energia é definido como atividade ou instrumento destinado a
contabilizar a energia disponível e a energia consumida em determinado sistema de
produção. Seu objetivo principal é traduzir em unidades ou equivalentes energéticos os
fatores de produção e os intermediários, possibilitando a construção de indicadores
comparáveis entre si, que permitam a intervenção no sistema produtivo visando melhorar a
eficiência (BUENO et al., 2000).
Segundo Pimentel (1984), algumas culturas, principalmente as destinadas ao
consumo humano nos Estados Unidos, mostraram que a razão entre energia alimentar e a
investida na cultura era inferior a 1, ou seja, apresentavam balanço energético
desfavorável. Como os alimentos possuem em sua composição elementos essenciais ao
organismo humano, tais como vitaminas, fibras, etc., mesmo que o balanço energético seja
desfavorável, continuarão a serem produzidos, mas deve-se sempre almejar que o sistema
busque o máximo rendimento energético e econômico, de modo a onerar de forma mínima
o meio ambiente. Quando um sistema agropecuário não responde adequadamente aos seus
investimentos energéticos, pode significar que alguns dos insumos empregados não estão
sendo bem aproveitados.
A maioria dos autores que trabalham com balanço energético de sistemas agrícolas
classifica a energia consumida no processo produtivo sob duas formas: direta e indireta
(DOERING III et al., 1977; SANTOS & LUCAS JR., 2004; CAMPOS, 2004).
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos_________________________________________
23
Segundo Campos (2001), a energia direta utilizada em um processo produtivo não
inclui somente o combustível fóssil, mas também outras formas de energia derivadas do
petróleo, tais como aquelas contidas nos lubrificantes, nos adubos e nos defensivos
agrícolas. Porém, um estudo completo da energia investida deve considerar, também, as
energias de origem biológica, como o trabalho humano e animal e aquela contida nas
sementes e mudas.
Ainda conforme Campos (2001), a energia indireta utilizada em propriedades rurais
é aquela empregada na fabricação de maquinários, de construções e de instalações, de
sistema de irrigação e de outras entradas de energia necessários à produção. Para
construções rurais características do Brasil, Mello (1986) utilizou os valores de 240.000
kcal/m² para as residências e 64.800 kcal/m² para as construções de serviço. A energia
indireta deve ser ponderada a partir da depreciação, durante a vida útil desses
equipamentos e instalações.
A utilização de balanços de energia pode se constituir importante instrumento para
a definição de novas técnicas e manejos agropecuários, que podem vir a proporcionar
importante economia de energia e, conseqüentemente, aumento de eficiência e redução de
custos de produção em sistemas de produção mais tecnificados, que possuem utilização
intensiva de energia em suas várias formas (CAMPOS & CAMPOS, 2004).
2.7. Considerações Finais
Neste capítulo foram apresentados os problemas relacionados ao lançamento dos
dejetos provenientes de suinoculturas no meio ambiente sem tratamento prévio. Esta
questão evidencia a necessidade do tratamento destes dejetos, o qual pode ser feito por
meio da utilização de biodigestores, gerando, como subprodutos, o biogás e o
biofertilizante.
Foram abordados também os aspectos teóricos relativos ao biogás, como formação
e características, e a apresentação dos principais modelos de biodigestores.
Finalizando o capítulo, foram descritos o conceito de balanço energético
agropecuário e fatores a serem levados em consideração durante sua análise.
No próximo capítulo é apresentada a metodologia adotada para o desenvolvimento
deste trabalho.
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
24
CAPÍTULO 3 - Metodologia
3.1. Introdução
São apresentadas neste capítulo as etapas realizadas para a elaboração do balanço
energético e implementação do aplicativo computacional. O aplicativo (programa) foi
desenvolvido em linguagem Delphi (linguagem de programação orientada a objetos e
eventos), utilizando-se o software Borland Delphi
TM
7.
A seguir, são apresentados os parâmetros e as equações que serviram de base para a
elaboração do aplicativo.
3.2. Estimativa da Produção de Biogás e de Biofertilizante
A estimativa do volume de efluentes produzidos por um sistema de produção de
suínos pode ser calculada a partir da quantidade de animais em cada fase do ciclo de
criação. Considerando-se o sistema de ciclo completo, o número de animais em cada fase
do ciclo completo pode ser estimado a partir do número de matrizes. A metodologia
adotada neste trabalho é a citada por Kunz et al. (2005), a qual considera que uma matriz
tem 2,4 partos/ano e gera 22,5 leitões terminados por ano. O tempo de permanência em
cada fase é o seguinte: período da matriz vazia é de 6 dias; 114 dias em gestação; 28 dias
com leitões em lactação; 42 dias na creche; 80 dias na terminação. A relação entre a
quantidade de machos e a de matrizes é 1:20.
O volume total de efluentes produzidos é dado pela soma do volume dos seguintes
componentes:
• Dejetos líquidos considerando a quantidade de animais em cada fase do ciclo de
produção segundo a Tabela 2.1;
• Água usada para a limpeza das baias, conforme a Tabela 3.1; e
• Desperdício dos bebedouros, conforme a Tabela 3.1.
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
25
Tabela 3.1: Volume de água utilizada para limpeza das baias e desperdiçada nos bebedouros.
Sistema de produção
Volume diário de água utilizada para
limpeza das baias
Desperdício diário de água nos
bebedouros
UPL 16,0 L/matriz 13,1 L/matriz
UCT 2,8 L/suíno 1,1 L/suíno
UCC 32,0 L/matriz 19,5 L/matriz
Fonte: Perdomo et al. (2003).
A partir da quantidade de efluentes, é possível determinar a quantidade de SV na
alimentação do biodigestor. Os SV, que são os substratos para as bactérias metanogênicas,
são os responsáveis diretos pela produção de biogás (LA FARGE, 1979), sendo que quanto
maior for a concentração de SV na alimentação diária do biodigestor (kg/L de efluente),
maior será a capacidade do biodigestor na produção de biogás. Conforme Oliveira et al.
(2005), um fator a ser considerado no cálculo da produção de biogás é o grau de diluição
dos dejetos em função do desperdício da água utilizada na limpeza das baias dos animais,
pelos vazamentos existentes nas redes hidráulicas e nos bebedouros e pela entrada de água
da chuva nos canais de manejo dos dejetos. Este pode ser determinado pela observação da
matéria seca e/ou sólidos totais presentes nos dejetos, sendo que os SV representam entre
70% a 75% dos sólidos totais, para o caso dos dejetos dos suínos.
A taxa de produção de metano γ
v
(m³ de CH
4
/m³ da câmara de digestão/dia) pode
ser calculada pela equação 3.1, desenvolvida por Chen & Hashimoto (1978):
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+−⋅
−
⋅
=
KTRH
K
TRH
SB
m
oo
v
1
1
µ
γ
(3.1)
onde:
B
o
= taxa máxima de produção de metano (m³ de CH
4
/kg de SV);
S
o
= concentração de SV do efluente (kg/m³);
TRH = tempo de retenção hidráulica (dias);
µ
m
= taxa de crescimento máximo específico (dia
-1
);
K = coeficiente cinético (adimensional).
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
26
De acordo com Chen & Hashimoto (1980), o parâmetro K, para dejetos de suínos, é
dado por:
o
S
eK
⋅
⋅+=
051,0
0043,05,0
(3.2)
A taxa de crescimento máximo específico (µ
m
) é calculada através da equação 3.3
(HASHIMOTO et al., 1981):
129,0013,0
−
⋅
=
T
m
µ
(3.3)
onde T é a temperatura da biomassa (°C).
A produção específica de biogás (B
o
) considerada neste estudo é de 0,516 m³ de
CH
4
/kg de SV, (MØLLER, 2004).
A estimativa de produção de biogás é dada pela equação 3.4, considerando uma
presença de 65% de metano no volume de biogás.
Produção de biogás [m³ biogás/m³ câmara de digestão/dia] =
65,0
v
γ
(3.4)
O volume da câmara de digestão é calculado por meio da equação 3.5:
V
câmara de digestão
[m³] = TRH [dias] · V
efuentes
[m³/dia] (3.5)
onde V
efluentes
é o volume de efluentes produzidos diariamente em m³/dia.
A produção de biofertilizante pode ser estimada pela quantidade de matrizes.
Segundo Konzen (1983), para cada doze matrizes são produzidos diariamente 1.000 kg de
biofertilizante. Para calcular o volume gerado, adotou-se neste trabalho o valor de
densidade de 1.010,32 kg/m³, obtido por Oliveira et al. (2005).
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
27
3.3. Obtenção do Balanço Energético
A seguir será apresentada a metodologia utilizada para a obtenção do balanço
energético de uma propriedade produtora de suínos.
3.3.1. Cálculo da Energia dos Componentes de Entrada e de Saída
No presente trabalho, a energia foi classificada em dois tipos:
a) direta: aquela relativa à energia elétrica, à ração, ao trabalho humano e aos
insumos diretamente consumidos no processo de produção.
b) indireta: aquela empregada na fabricação de equipamentos, nas construções e
instalações necessárias à produção.
A quantificação energética dos componentes classificados como energia direta, foi
obtida multiplicando-se as quantidades físicas destes pelos respectivos coeficientes
energéticos, mostrados na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Coeficientes energéticos dos componentes classificados como energia direta.
Componente Coeficiente energético
Suínos 2.200 kcal/kg
Ração 3.244 kcal/kg
Óleo diesel 9.204 kcal/L
Óleo lubrificante 8.584 kcal/L
Graxa 9.324 kcal/kg
GLP 11.000 kcal/kg
Energia elétrica 860 kcal/kWh
Trabalho humano 112,5 kcal/h/homem
Biogás com 65% de metano 5.339 kcal/m³
Biofertilizante 4.440 kcal/m³
Fontes: Comitre (1995), Nunes et al. (2002), Comitre (1993), Dossa et al. (1992), Pimentel (1980), Stout
(1990), Ross et al. (1996) e Bezerra (2002).
No que se refere a equipamentos e edificações, foi utilizada a metodologia
desenvolvida por Doering III et al. (1977). O método consiste na aplicação da depreciação
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
28
energética, semelhante à depreciação econômica, porém baseado na massa dos
componentes, a qual é depreciada durante sua vida útil. Para a determinação da
depreciação energética empregou-se a seguinte equação:
][
][
][1,0][
][ hutilizaçãodetempo
hútilvida
kgmassakgmassa
kgDE ⋅
⋅−
=
(3.6)
Assim, a energia indireta é obtida multiplicando-se a depreciação energética de
cada componente pelo seu respectivo coeficiente energético, apresentado na Tabela 3.3.
Tabela 3.3: Coeficientes energéticos dos componentes classificados como energia indireta.
Componente Coeficiente energético Vida útil
Equipamento autopropelido 16.679 kcal/kg 10.000 h
Equipamento não autopropelido 13.662 kcal/kg 10.000 h
Edificação residencial 240.000 kcal/m² 30 anos
Edificação de serviço 64.800 kcal/m² 30 anos
Fontes: Macedônio & Picchioni (1985) e Mello (1986).
Neste caso, a aplicação dos coeficientes energéticos incidirá sobre a depreciação
energética. Exemplificando, um trator com massa de 3.000 kg e vida útil estimada em
10.000 h, deprecia 0,27 kg para cada hora de utilização. A energia referente a essa
depreciação é de 4.503 kcal (0,27 kg x 16.679 kcal/kg).
As massas médias de algumas máquinas e equipamentos para fins de cálculo
encontram-se na Tabela 3.4.
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
29
Tabela 3.4: Massas médias de máquinas e equipamentos.
Máquina ou equipamento Massa média (kg)
Arado 1.500
Grade 1.200
Grupo gerador de 20 a 36 kVA 530
Grupo gerador de 50 a 122 kVA 1.500
Moto-bomba para irrigação 1.000
Niveladora 1.500
Plantadeira 800
Roçadeira 800
Trator pequeno 3.000
Trator médio 3.700
Trator grande 5.700
Fontes: Beber (1989) e Grupo Fockink (2006).
No caso de construções rurais e residenciais, a equação para o cálculo da
depreciação energética foi adaptada de Beber (1989) e utilizada por Souza e por Lucas Jr.
(2004):
][
][
²][1,0²][
²][ anosutilizaçãodetempo
anosútilvida
máreamárea
mDE ⋅
⋅−
=
(3.7)
No cálculo da energia relativa a construções, os coeficientes energéticos incidirão
sobre a área depreciada (m²). Um galpão com área de 1.000 m² e vida útil estimada em 30
anos, deprecia 30 m² por ano de utilização, o que corresponde a uma energia de 1,94 Mcal
(30 m² x 64.800 kcal/m²).
3.3.2. Cálculo da Eficiência Energética
A eficiência energética é determinada pela relação entre a energia que sai do
sistema e a energia que entra no sistema. Assim:
(
)
()
∑
∑
+
+
=
IentradaDentrada
IsaídaDsaída
EE
EE
η
(3.8)
Capítulo 3 – Metodologia_________________________________________________
30
onde:
E
Dsaída
= energia direta que sai do sistema (Mcal);
E
Isaída
= energia indireta que sai do sistema (Mcal);
E
Dentrada
= energia direta que entra no sistema (Mcal);
E
Ientrada
= energia indireta que entra no sistema (Mcal).
Ressalta-se que a eficiência energética a que se refere este trabalho não se restringe
à energia elétrica (eficiência energética de motores elétricos, lâmpadas e outros
equipamentos elétricos) e sim à relação saída/entrada de energia do sistema de produção,
sob diversas formas.
3.4. Considerações Finais
Após a realização da pesquisa bibliográfica, foram obtidas as informações
necessárias, como fórmulas e parâmetros utilizados para a obtenção do balanço energético
de uma granja de suínos e para o cálculo do potencial de produção de biogás e de
biofertilizante. A partir destas informações será possível a implementação do aplicativo
computacional.
O capítulo seguinte é destinado à apresentação do aplicativo computacional e de
simulações a partir de um estudo de caso.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
31
CAPÍTULO 4 – O Aplicativo Computacional
4.1. Introdução
Neste capítulo é apresentado o aplicativo desenvolvido a partir dos procedimentos
apresentados nos itens 3.2 e 3.3, além de sua interface gráfica e do modo de utilização do
aplicativo.
4.2. Apresentação do Aplicativo Computacional
O aplicativo, denominado SUINOGÁS, foi desenvolvido em linguagem Delphi
(linguagem de programação orientada a objetos e eventos), utilizando-se o programa
computacional Borland Delphi
TM
7.
O funcionamento do aplicativo proposto pode ser contemplado através do
fluxograma simplificado ilustrado na Figura 4.1.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
32
Início
Dados sobre a
granja
UPL ou
UCC?
Estima
qtde. de
suínos?
Qtde. de suínos
Calcula qtde. de
suínos
Entradas de
energia
Saídas de
energia
Obtenção do
balanço energético
Cálculo da eficiência
energética
Relatório
Calcula produção de
biogás
Calcula produção de
biofertilizante
Estima
produção
de biogás?
Estima
produção de
biofertilizante?
sim
não
não
sim
sim
sim
não
não
Fim
Figura 4.1: Fluxograma simplificado demonstrando o funcionamento do aplicativo computacional
proposto.
A tela principal do aplicativo, mostrada na Figura 4.2, apresenta dois botões, sendo
o primeiro para iniciar um novo cálculo e o segundo para sair do aplicativo.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
33
Figura 4.2: Tela principal do aplicativo SUINOGÁS.
Clicando sobre o botão “Iniciar”, acessa-se o formulário para preenchimento das
informações relativas à granja (Figura 4.3), como nome, endereço, nome e telefone do
proprietário, tipo do sistema de produção, nome do responsável pelo projeto e seu telefone.
Cada formulário possui: botão “Anterior” (para retornar à tela anterior); botão “Limpar
Formulário” (apaga as informações já digitadas no formulário atual); botão para encerrar o
aplicativo; e botão “Próximo”, cuja função é avançar para a próxima tela do aplicativo.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
34
Figura 4.3: Formulário para preenchimento das informações gerais da granja.
Clicando no botão “Próximo”, surgirá a tela para o preenchimento da quantidade de
animais em cada ciclo de produção, tal como pode ser vista na Figura 4.4. Caso tenha a
granja tenha sido classificada como UCC ou UPL, é possível calcular o número de suínos
em cada fase do ciclo de produção a partir da quantidade de matrizes, clicando-se sobre o
botão “Estimar quantidade de animais”. A metodologia utilizada neste cálculo é aquela
apresentada por Kunz et al. (2005). Abre-se então uma caixa de diálogo onde deve ser
inserido o número de matrizes, conforme mostra a Figura 4.5. Caso a granja seja do tipo
UCT, só é necessário informar o número total de suínos.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
35
Figura 4.4: Formulário para preenchimento da quantidade de suínos em cada fase de criação.
Figura 4.5: Caixa de diálogo para inserção do número de matrizes.
No próximo formulário, chamado de “Entrada de Energia Direta”, mostrado na
Figura 4.6, deve-se informar as entradas de energia direta no sistema. O usuário deve
digitar as quantidades físicas dos insumos utilizados no sistema de produção. Os itens são
suínos (kg/mês), ração (kg/mês), óleo diesel (L/mês), óleo lubrificante (L/mês), graxa
(kg/mês), GLP (botijões de 13 kg/mês) e energia elétrica (kWh/mês). Os coeficientes
energéticos utilizados pelo aplicativo para o cálculo da energia direta de entrada são
apresentados na Tabela 3.2.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
36
Figura 4.6: Formulário para preenchimento das entradas de energia direta no sistema de produção.
Deve ser também informado a quantidade de funcionários, o número médio de
horas trabalhadas por dia e o número de dias de trabalho por mês. Esses dados servirão de
base para o cálculo da energia do trabalho humano empregado na produção de suínos.
A próxima etapa (Figura 4.7) é para a inserção das edificações e equipamentos
presentes na propriedade rural, considerados neste estudo como entrada de energia indireta.
O usuário deve informar o tipo (construção de serviço ou residência), a área e a quantidade
das edificações. Pressionando-se o botão “Adicionar edificação”, a edificação é computada
para o cálculo de energia indireta e logo é visualizada na tabela no lado direito da tela. No
caso de equipamentos, escolhe-se o tipo, a quantidade e o tempo de utilização diário. Os
dados dos equipamentos são inseridos no sistema após clicar sobre o botão “Adicionar
equipamento”. A contabilização da energia referente a equipamentos e edificações é obtida
por intermédio das equações 3.6 e 3.7, respectivamente. Os valores dos coeficientes
energéticos adotados são os apresentados na Tabela 3.3.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
37
Figura 4.7: Formulário para preenchimento das entradas de energia indireta no sistema de produção.
Na próxima tela, vista na Figura 4.8, deve-se digitar a quantidade dos componentes
de saída do sistema, como suínos (kg/mês), biogás (m³/mês) e biofertilizante (m³/mês). No
caso da produção de biogás e de biofertilizante, o aplicativo permite estimar estes valores
baseados na quantidade de suínos informada anteriormente, o que será útil na hipótese de
um novo empreendimento ou do desconhecimento destes números por falta de medição
apropriada. Ao clicar sobre o botão “Estimar a produção de biogás”, abre-se a janela
mostrada na Figura 4.9. No campo “vazão de efluentes”, aparece a vazão de dejetos
líquidos calculada pelo aplicativo a partir da quantidade de suínos informados no
formulário “Rebanho”. Entretanto, este valor pode ser editado pelo usuário caso julgue
conveniente. Para dimensionar a câmara de digestão, deve-se especificar, além da vazão de
efluentes, o tempo de retenção hidráulica, que pode variar entre 22 e 30 dias, e, finalmente,
pressionar o botão “Dimensionar câmara de digestão”. Para estimar a produção de biogás,
o usuário deve escolher a temperatura do efluente e a concentração de sólidos voláteis e
clicar em “Estimar produção de biogás”. Ao final desta etapa, deve ser clicado o botão
“OK”, para que os cálculos sejam computados na memória do aplicativo.
Caso se deseje estimar a produção de biofertilizante, o botão “Estimar produção de
biofertilizante” deve ser clicado e logo o valor calculado surge no campo correspondente
ao biofertilizante.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
38
Figura 4.8: Formulário para preenchimento das saídas de energia do sistema de produção.
Figura 4.9: Formulário para dimensionamento da câmara de digestão e cálculo da produção de biogás.
A Figura 4.10 apresenta o formulário “Consumo de Biogás”, opta-se pela maneira
de como o biogás será utilizado. Há a opção de usar o biogás para substituir o GLP, gerar
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
39
energia elétrica através de grupo gerador e/ou microturbina a biogás e como combustível
para motores de combustão interna, movidos a biogás.
Na hipótese de se utilizar biogás em substituição ao GLP, deve ser informada a
quantidade de botijões de 13 kg de GLP a serem substituídos. Esta quantidade é
automaticamente subtraída do valor informado nas entradas de energia.
Para informar os motores de combustão interna que utilizam biogás, o usuário deve
inserir a potência do motor, a quantidade e o tempo de utilização em horas/dia e, para
concluir, clicar em “Adicionar motor a biogás”
Caso se queira gerar energia elétrica utilizando biogás, deve ser especificada a
quantidade de energia elétrica gerada (kWh/mês) utilizando grupo gerador e/ou
microturbina e informar o rendimento da conversão de energia mecânica em energia
elétrica.
Depois de definida a maneira de utilização de biogás, o aplicativo calcula o
consumo de biogás em m³/mês através do botão “Calcular consumo total de biogás”.
Figura 4.10: Formulário “Consumo de Biogás”.
Na hipótese de o consumo de biogás seja superior à produção do mesmo, surgirá
uma mensagem, ilustrada na Figura 4.11, alertando que o consumo deve ser inferior à
produção de biogás.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
40
Figura 4.11: Mensagem de aviso de que o consumo de biogás deve ser inferior à produção.
Avançando-se para a próxima tela, como se pode ver na Figura 4.12, o usuário tem
a opção de visualizar o relatório gerado pelo aplicativo na íntegra ou cada seção
individualmente.
Figura 4.12: Formulário para escolha da visualização do relatório.
O relatório gerado, em sua versão completa, é composto pelos seguintes itens:
• Seção 1 – Informações Gerais: apresenta as informações gerais da granja
fornecidas pelo usuário por intermédio do preenchimento do formulário
mostrado na Figura 4.3;
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
41
• Seção 2 – Rebanho: apresenta a quantidade de animais em cada fase do ciclo
de produção informada pelo usuário ou estimada pelo aplicativo a partir da
quantidade de matrizes quando se tratar de UPL ou UCC;
• Seção 3 – Entrada de Energia Direta: esta seção do relatório mostra as
quantidades digitadas pelo usuário dos componentes de energia direta que
entraram no sistema de produção;
• Seção 4 – Entrada de Energia Indireta: apresenta a relação de máquinas e
equipamentos presentes no sistema de produção;
• Seção 5 – Saída de Energia: mostra os produtos que saem do sistema de
produção, como suínos, biogás e biofertilizante;
• Seção 6 – Produção e Consumo de Biogás: apresenta os parâmetros utilizados
na estimativa da produção e do consumo de biogás e os seguintes cálculos:
Volume da câmara de digestão (m³);
Produção de biogás (m³/mês);
Potencial de geração de energia elétrica (kWh/mês) utilizando o biogás
disponível na granja;
Potência sugerida do grupo gerador e/ou microturbina a biogás (kVA);
Consumo total de biogás (m³/mês);
Vazão de biogás excedente (m³/mês);
• Seção 7 – Balanço Energético:
A energia relativa às entradas de energia (direta e indireta), em Mcal, e as
participações percentuais de cada componente;
A energia referente às saídas de energia, em Mcal, e respectivas
participações percentuais;
Cálculo da eficiência energética do sistema de produção em dois cenários:
com e sem produção de biogás.
Finalmente, o relatório apresenta um diagrama do fluxo de energia da granja
em estudo, em que é possível verificar as parcelas de energia que entram,
saem e retornam ao sistema, quando da presença de geração a biogás.
Para exemplificar a visualização do relatório, a primeira página é mostrada na
Figura 4.13. Os Anexos A e B apresentam o relatório na íntegra gerado a partir de um
estudo de caso, que será apresentado no próximo capítulo.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
42
Figura 4.13: Tela de visualização do relatório gerado pelo SUINOGÁS.
4.3. Simulações Utilizando o Aplicativo Computacional SUINOGÁS
A granja usada para o estudo de caso para aplicação do aplicativo é a Fazenda
Rancho Alegre situada no município de Campo Grande, MS, localizada a uma latitude de
20°53’00” Sul e longitude de 54°33’10” Oeste. A propriedade possui aproximadamente
2.000 matrizes e produz cerca de 42.000 suínos por ano em ciclo completo.
O local possui 17 galpões para criação de suínos, cada um com área construída de
aproximadamente 1.440 m³.
A propriedade rural possui três células biodigestoras modelo canadense,
visualizadas na Figura 5.1. Cada unidade possui capacidade para 1.700 m³ de efluentes.
São constituídos de dois troncos de pirâmide, escavados no solo, sendo um com 4,85 m de
profundidade e o outro com 2,35 m. Cada célula é composta também por duas mantas de
PVC flexível de 1 mm de espessura, uma inferior para evitar infiltrações dos dejetos no
solo e outra superior que permite as características anaeróbicas e serve como gasômetro.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
43
Figura 4.14: Biodigestores modelo canadense – vista da manta superior.
A produção de biogás é obtida através de leituras mensais efetuadas no medidor de
vazão de gás da marca Dresser, modelo 7M175, mostrado na Figura 4.15.
Figura 4.15: Medidor de vazão de gás.
O conjunto motor-gerador movido a biogás (Figura 4.16) é de fabricação do Grupo
Fockink e possui capacidade de 90 kVA em regime de emergência. O motor de combustão
interna é da marca Mercedes-Benz, modelo OM-366LA, dotado de turbo e intercooler,
originalmente de ciclo diesel e posteriormente convertido para o ciclo Otto. Sua potência
mecânica é de 116 cv e seu consumo é de aproximadamente 36 m³ de biogás por hora. O
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
44
gerador síncrono é de fabricação WEG, modelo 200MI26. O grupo gerador atende a
fábrica de ração que possui potência instalada de 60,9 kW e consumo médio mensal em
torno de 7.500 kWh.
Figura 4.16: Grupo motor-gerador de 90 kVA movido a biogás.
As demais instalações possuem consumo médio mensal de aproximadamente
24.500 kWh e são atendidas pela concessionária de energia elétrica.
A fazenda possui um motor de combustão interna da marca Perkins (também
convertido para funcionar com biogás) de aproximadamente 75 cv, usado para bombear o
biofertilizante do tanque para o pasto.
O biogás excedente é queimado pelo flare (queimador), apresentado na Figura 4.17.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
45
Figura 4.17: Flare (queimador) utilizado para queimar o biogás excedente.
A Figura 4.18 apresenta o diagrama geral de funcionamento dos sistemas de
produção de biogás, biofertilizante e energia elétrica.
GA
L
P
Ã
O
C
O
M
S
U
Í
N
OS
D
E
J
E
T
O
S
D
E
J
E
T
O
S
TANQUE DE
ENTRADA
BIODIGESTOR
BIODIGESTOR
BIODIGESTOR
D
E
J
E
T
O
S
D
E
J
E
T
O
S
BIOGÁS
BIOGÁS
COMPRESSOR
MEDIDOR
DE GÁS
FILTRO PARA
REMOÇÃO DE
H
2S E UMIDADE
COMPRESSOR
GRUPO MOTOR-
GERADOR 90 kVA
A BIOGÁS
ENERGIA
ELÉTRICA
FÁBRICA DE
RAÇÃO
B
I
O
F
E
R
T
I
L
I
Z
A
N
T
E
B
I
O
F
E
R
T
I
L
I
Z
A
N
T
E
MOTO-BOMBA A
BIOGÁS
BIOFERTILIZANTE
PASTO
"FLARE"
GA
L
P
Ã
O
C
O
M
S
U
Í
N
OS
FILTRO PARA
REMOÇÃO DE
H
2S E UMIDADE
BIOGÁS
Figura 4.18: Diagrama esquemático de funcionamento dos sistemas de produção de biogás,
biofertilizante e energia elétrica.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
46
4.3.1. Simulação 1: Cenário Real em Julho de 2007
Nesta simulação foram utilizadas as informações relativas à granja em estudo,
referentes ao mês de julho de 2007.
Após a inicialização do aplicativo, foi preenchimento o formulário “Informações
Gerais” com os dados da granja. Em seguida, foi acessado o formulário “Quantidade de
Animais”. Optou-se por estimar a quantidade de animais em cada fase da produção a partir
do número de matrizes, que, em julho de 2007, era de 2.165 matrizes. A Figura 4.19
apresenta a estimativa a estimativa calculada pelo SUINOGÁS.
Figura 4.19: Tela do aplicativo apresentando a quantidade estimada de animais por fase do ciclo de
produção.
No próximo formulário, foram informadas as entradas de energia direta, conforme
apresentado na Tabela 4.1.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
47
Tabela 4.1: Entradas de energia direta em julho de 2007.
Componente de entrada Quantidade
Ração 920.274 kg
Óleo Diesel 8.000 L
Óleo lubrificante 91 L
Graxa 20 kg
Gás GLP 13 botijões de 13 kg
Energia elétrica 32.000 kWh
Quantidade de funcionários 30
Jornada de trabalho 8 h/dia
Dias de trabalho 25 dias/mês
No formulário seguinte, denominado “Entrada de energia indireta”, foram inseridos
as edificações e os equipamentos presentes na propriedade rural, conforme as Tabelas 4.2 e
4.3.
Tabela 4.2: Edificações presentes na granja em julho de 2007.
Tipo Construções Quantidade
Área unitária
(m²)
Área total (m²)
Galpão 17 1.440 24.480
Construção rural
Fábrica de ração 1 1.575 1.575
Construção residencial Residência 11 80 880
Tabela 4.3: Máquinas e equipamentos presentes na granja em julho de 2007.
Máquinas e equipamentos Quantidade
Tempo de utilização
diária (h)
Trator grande New Holland TM140 1 5
Trator pequeno New Holland TL75E 1 5
Roçadeira 1 3
Grade 1 3
Niveladora 1 3
Plantadeira 1 3
Grupo motor-gerador de 90 kVA a biogás 1 8
Moto-bomba de 75 cv a biogás Perkins 1 5
Moto-bomba a diesel (irrigação) Mercedes-Benz OM 352 1 5
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
48
As quantidades dos componentes produzidos no sistema produtivo apuradas
durante o período de acompanhamento são mostradas na Tabela 4.4 e foram inseridas no
formulário “Saída de Energia”.
Tabela 4.4: Saídas de energia em julho de 2007 (Simulação 1).
Componente de saída Quantidade produzida
Suínos 315.594 kg
Biogás 58.409 m³
Biofertilizante 5.286 m³
Ressalta-se que o volume de biogás produzido que consta na Tabela 4.4 é o valor
apurado através de leituras no medidor de vazão de gás. Já a quantidade de biofertilizante
gerado é a estimada pelo aplicativo, devido à dificuldade de medição no local.
O potencial de geração de energia elétrica utilizando todo o biogás produzido na
fazenda durante o período de um mês é de 94.208 kWh, energia suficiente para tornar a
propriedade rural independente de fornecimento externo.
Finalmente, foi informado que o biogás é utilizado em um grupo gerador (com
rendimento de 25%) para a geração de 7.500 kWh mensais para atender à fábrica de ração
e para o funcionamento de cerca de 5 horas diárias da moto-bomba de 75 cv, conforme
ilustra a Figura 4.20.
Figura 4.20: Tela do aplicativo apresentando o consumo de biogás.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
49
O grupo gerador a biogás dimensionado pelo aplicativo é de 67 kVA. Ressalta-se
que este valor é apenas uma estimativa, devido a não estarem sendo consideradas as
especificidades da instalação elétrica do local, como demanda de energia elétrica, curva de
carga, fator de simultaneidade e partida de motores elétricos. Para a obtenção de um
dimensionamento mais adequado com garantia de operação confiável, recomenda-se
consultar um engenheiro eletricista com atuação na área. A energia elétrica gerada é
subtraída do valor digitado como entrada de energia. Os consumos de biogás para a
geração de energia elétrica e para alimentação da moto-bomba de 75 cv foram de 4.615
m³/mês e 5.063 m³/mês, respectivamente. O volume de biogás excedente no período
considerado foi de 48.731 m³.
Os resultados referentes ao balanço energético podem ser visualizados no relatório
gerado pelo aplicativo (vide Anexo A). O consumo total de energia do sistema de produção
no período de um mês foi de 3.091.337 Mcal. Houve predominância de energia direta, com
3.083.572 Mcal (99,75%), conforme apresenta a Tabela 4.5.
Tabela 4.5: Consumo de energia direta e indireta (julho de 2007).
Componente de entrada Energia (Mcal) %
Ração 2.985.369 96,57
Óleo diesel 73.632 2,38
Óleo lubrificante 781 0,03
Graxa 186 0,01
GLP 1.859 0,06
Energia elétrica 21.070 0,68
Trabalho humano 675 0,02
Subtotal - Energia Direta 3.083.572 99,75
Edificações 4.751 0,15
Equipamentos 3.014 0,10
Subtotal - Energia Indireta 7.765 0,25
Total - Entrada de Energia 3.091.337 100,00
A ração apresentou os maiores consumos de energia, responsáveis por 96,57%. O
item com a segunda maior participação foi o óleo diesel, correspondendo a 2,38% do total
da energia consumida. Os demais itens (óleo lubrificante, graxa, GLP, energia elétrica,
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
50
trabalho humano e formas de energia indireta) tiveram participações inferiores a 1%,
conforme se observa pelo gráfico da Figura 4.21.
Figura 4.21: Entradas de energia no sistema produtivo (julho de 2007).
O total de energia indireta consumida no período de um mês foi de 7.765 Mcal, o
que corresponde a apenas 0,25% do consumo total.
Nessas condições, no item “saída de energia”, apresentado na Tabela 4.6, o
componente mais representativo foi o suíno, com 71,00%. Com um valor também
significativo, o biogás representou 26,60% da energia que sai do sistema. O volume de
biogás considerado neste cálculo é referente à quantidade excedente de biogás. O restante
da saída de energia (2,40%) foi devido à produção de biofertilizante.
Tabela 4.6: Saída de energia (Simulação 1).
Componente de Saída Energia (Mcal) %
Suíno 694.307 71,00
Biogás 260.175 26,60
Biofertilizante 23.470 2,40
Total 977.952 100,00
O gráfico da Figura 4.22 mostra a participação dos componentes de saída.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
51
Figura 4.22: Saída de energia do sistema produtivo (Simulação 1).
Pela observação do diagrama de fluxos de energia do sistema, visualizada na Figura
4.23, nota-se que uma pequena parcela da energia de saída (6.450 Mcal) é reaproveitada na
forma de energia elétrica (produzida pelo grupo motor-gerador a biogás), que é fornecida à
fábrica de ração.
Figura 4.23: Fluxos de energia na condição de funcionamento atual do sistema.
De acordo com o relatório gerado pelo aplicativo, considerando a inexistência dos
biodigestores, a eficiência energética do sistema seria de 0,225. Na condição de
funcionamento de julho de 2007, o coeficiente de eficiência energética, calculado foi de
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
52
0,317. Salienta-se que, apesar do balanço energético obtido ser inferior a 1, não significa,
necessariamente, que o balanço econômico da atividade também seja inferior a 1.
4.3.2. Simulação 2: Cenário com Biodigestores Redimensionados
Na Simulação 2, foi considerado um redimensionamento do volume total em
câmaras de digestão utilizando o SUINOGÁS.
As quantidades dos componentes de entrada e de saída consideradas foram as
mesmas apresentadas na simulação 1 (item 4.3.1), exceto a produção de biogás, que teve
seu valor definido através do aplicativo e não através de medição, como foi o caso do valor
apresentado na Simulação 1. Desta forma, no formulário “Saída de Energia”, optou-se por
estimar a produção de biogás, abrindo-se a interface mostrada na Figura 4.24.
Figura 4.24: Formulário “Estimativa de Produção de Biogás”.
Foram utilizados nesta simulação os parâmetros exibidos na Tabela 4.7.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
53
Tabela 4.7: Parâmetros utilizados para estimar a produção de biogás.
Parâmetro Valor
Vazão de efluentes 6660 m³/mês
Tempo de retenção hidráulica (TRH) 28 dias
Temperatura do efluente (T) 26 °C
Concentração de sólidos voláteis (S
o
) 16 kg/m³
O volume estimado da câmara de digestão conforme o aplicativo foi de 6.216 m³. O
volume real das câmaras de digestão da Fazenda Rancho Alegre, somando-se as três
células, é de 5.100 m³, pois foram dimensionadas para armazenar um volume de efluentes
correspondentes a 1.500 matrizes, quantidade que a granja dispunha na ocasião da
implantação dos biodigestores, ao invés das 2.165 matrizes existentes em julho de 2007.
Portanto, as câmaras de biodigestão encontram-se subdimensionadas para a quantidade de
animais existentes na granja atualmente, não permitindo uma maior produção de biogás.
A produção de biogás estimada é de 76.551 m³/mês, considerando 26°C a
temperatura do efluente e a concentração de SV de 16 kg/m³. Nota-se, desta forma, que o
potencial de geração de biogás poderia ser maior do que a verificada no local em
aproximadamente 31%.
O consumo de biogás considerado na Simulação 2 foi a mesma utilizada na
Simulação 1. O item “Saída de Energia” apresentou, desta forma, a seguinte divisão entre
os produtos gerados na granja, vista na Tabela 4.8 e no gráfico da Figura 4.25.
Tabela 4.8: Saída de energia (Simulação 2).
Componente de Saída Energia (Mcal) %
Suíno 694.307 64,60
Biogás 357.035 33,22
Biofertilizante 23.470 2,18
Total 1.074.812 100,00
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
54
Figura 4.25: Saída de energia do sistema produtivo (Simulação 2).
Nesta simulação, a eficiência energética calculada foi de 0,348. Na Tabela 4.9 são
comparados os valores de eficiência energética no caso de não haver biodigestor e nos
cenários apresentados pelas simulações 1 e 2.
O relatório gerado pelo aplicativo para esta simulação pode ser visto no Anexo B.
Tabela 4.9: Eficiência energética em diferentes cenários.
Cenários Eficiência energética Aumento relativo (%)
Sem biodigestor 0,225 -
Simulação 1 0,317 40,89
Simulação 2 0,348 54,67
O aumento da eficiência energética em relação ao cenário que não utiliza
biodigestor foi de 40,89% na Simulação 1 e de 54,67% na Simulação 2.
Angonese et al. (2006) obtiveram um valor de eficiência energética de 0,38 na
avaliação de um sistema de produção de suínos com tratamento de resíduos através de
biodigestor, em Ouro Verde do Oeste, PR.
Um estudo de balanço energético elaborado por Lira et al. (2007) apresentou uma
eficiência energética de 0,37 para uma granja de suínos com geração de biogás em Rio
Verde, GO. Entretanto, neste caso os autores não consideraram o consumo de energia
indireta no sistema.
Capítulo 4 – O Aplicativo Computacional____________________________________
55
4.4. Considerações Finais
Neste capítulo foram apresentados os aspectos relevantes do aplicativo
SUINOGÁS. Foi demonstrada sua aplicabilidade por meio da realização de um estudo de
caso. Analisando-se os resultados obtidos por intermédio do aplicativo desenvolvido neste
trabalho, comprova-se o ganho no contexto do balanço energético da granja com a
utilização de biodigestores no tratamento dos efluentes e a conseqüente produção de
biogás.
O próximo capítulo apresenta as conclusões e recomendações para trabalhos
futuros.
Capítulo 5 – Conclusões e Recomendações para Trabalhos Futuros________________
56
CAPÍTULO 5 – Conclusões e Recomendações para Trabalhos
Futuros
5.1. Introdução
Neste capítulo são apresentadas as conclusões obtidas com a realização deste
trabalho, além de sugerir algumas recomendações para os trabalhos futuros.
5.2. Conclusões
O presente trabalho desenvolveu um modelo computacional capaz de calcular o
balanço energético de granjas de suínos com aproveitamento de biogás. No
desenvolvimento do aplicativo computacional foi utilizada a linguagem de programação
Delphi, por intermédio do software Borland Delphi
TM
7.
Como visto, trata-se de uma ferramenta de apoio aos criadores de suínos que
desejam implantar o tratamento de rejeitos utilizando biodigestores.
A partir dos dados da granja de suínos inseridos pelo usuário, o aplicativo é capaz
de estimar a produção de biogás e de biofertilizante e calcular o balanço energético da
respectiva granja.
Os resultados obtidos, a partir de um estudo de caso na Fazenda Rancho Alegre,
indicam que a atividade consome uma grande quantidade de energia direta e indireta,
muito maior do que a energia produzida, o que é característico do ramo de suinocultura.
Entretanto, além do benefício do saneamento ambiental, a produção de biogás no local
para geração e utilização como biofertilizante promove significativos ganhos no contexto
da eficiência energética.
A quantidade de energia de entrada requerida pelo sistema de produção no período
de um mês foi de 3.091.337 Mcal, com predominância de energia direta, com 3.083.572
Mcal, o que corresponde a 99,75% do total da energia que entra no sistema. Na ração,
reside o item de maior consumo de energia, responsáveis por 96,57%. Os demais itens,
como óleo diesel, energia elétrica, energia agregada referente a instalações e máquinas,
entre outros, obtiveram participação reduzida no consumo total de energia.
Capítulo 5 – Conclusões e Recomendações para Trabalhos Futuros________________
57
Nas saídas de energia, o item mais representativo foi o suíno, respondendo a
71,00% da energia exportada. A produção de biogás apresentou valores significativos,
representando 26,60% das saídas de energia. O biofertilizante é responsável por apenas
2,40%.
Observou-se um ganho na eficiência energética do sistema de produção utilizando a
digestão anaeróbia, passando de 0,225, na condição sem biodigestor para 0,317 com
biodigestor. Porém, caso as células biodigestores estivessem adequadamente
dimensionadas para a quantidade de suínos criados atualmente, a eficiência do sistema
seria de 0,348.
5.2. Recomendações para Trabalhos Futuros
Como proposta para trabalhos futuros, sugere-se a implementação de um módulo
no aplicativo para cálculo da viabilidade econômica de implantação de biodigestores em
suinoculturas e de outros usos finais para o aproveitamento do biogás, tais como:
compressores, grupos geradores e moto-bombas movidos a biogás.
De outra forma, estudos para purificação do biogás também são sugeridos,
principalmente na adoção de filtros de remoção de H
2
S, e sistemas de remoção de CO
2
,
Outra sugestão é a introdução de um banco de dados com diversas localidades do
Brasil com suas respectivas temperaturas médias ao longo dos meses do ano, pois a
temperatura influencia no processo de digestão anaeróbia, elevando ou reduzindo a
produção de biogás.
Finalmente, recomenda-se a implementação de outros aplicativos semelhantes,
porém considerando a geração de biogás a partir de tratamento de rejeitos de outros
sistemas, como bovinocultura, caprinocultura e esgoto doméstico.
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
58
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ANEXO A: Relatório da Simulação 1
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
66
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
67
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
68
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
69
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
70
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
71
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
72
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
73
Anexo A: Relatório da Simulação 1_________________________________________
74
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
75
ANEXO B: Relatório da Simulação 2
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
76
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
77
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
78
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
79
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
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Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
81
Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
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Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
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Anexo B: Relatório da Simulação 2_________________________________________
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