Download PDF
ads:
.
Felipe Carneiro da Cunha Torres
Estudo da Utilização do Biodiesel para
Geração de Energia Elétrica no Brasil
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial
para obtenção do título de Mestre pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
PUC-Rio.
Orientador: Professor José Alberto dos Reis Parise
Rio de Janeiro
Setembro de 2006
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
.
Felipe Carneiro da Cunha Torres
Estudo da Utilização do Biodiesel para
Geração de Energia Elétrica no Brasil
Dissertação apresentada como requisito parcial para
obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica do Centro
Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela
Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. José Alberto dos Reis Parise
Orientador
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Prof. Sérgio Leal Braga
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Prof. Carlos Valois Maciel Braga
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Professor Carlos Eduardo Reuther de Sirqueira
Petrobras / Universidade Católica de Petrópolis
Prof. José Eugênio Leal
Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 22 de Setembro de 2006
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
ads:
.
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou
parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor
e do orientador.
Felipe Carneiro da Cunha Torres
Graduou-se em Engenharia Mecânica pela PUC-Rio
(Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro) em
2001. Em 2002 foi efetivado como Engenheiro da Promon
Engenharia, onde atuou em projetos industriais ligados as
áreas de geração de energia elétrica, óleo&gás, siderurgia,
entre outros. Em 2003, participou como engenheiro de campo
da implementação da Usina Termelétrica de Norte
Fluminense (780 MW, ciclo combinado).
Ficha Catalográfica
Torres, Felipe Carneiro da Cunha
Estudo da utilização do biodiesel para geração
de energia elétrica no Brasil / Felipe Carneiro da Cunha
Torres ; orientador: José Alberto dos Reis Parise. – 2006.
115 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (Mestrado em Engenharia
Mecânica)–Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro, Rio de Janeiro, 2006.
Inclui bibliografia
1. Engenharia elétrica – Teses. 2. Biodiesel. 3.
Geração de eletricidade. 4. Balanço térmico. 5. Motor
diesel. 6. Energia alternativa. 7. Biomassa. I. Parise, José
Alberto dos Reis. II. Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica.
III. Título.
CDD: 621.3
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Com gratidão,
À minha mãe, Gertrudes Carneiro da Cunha
Ao meu irmão, Rodrigo Carneiro da Cunha Torres
À minha avó, Dulce Carneiro da Cunha
Com saudade,
Ao meu avô, Stélio Carneiro da Cunha
Com amor,
À minha esposa, Cecília Müller Haddad
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Agradecimentos
Ao meu orientador José Alberto dos Reis Parise pela orientação, apoio e
compreensão durante o curso de Mestrado.
Ao Professor Antônio Guilherme Garcia Lima pelo pronto atendimento às
solicitações durante a elaboração do modelo termodinâmico.
Aos Engenheiros da Promon Engenharia Gilson Krause, Guilherme Velho, João
Fontoura, Luiz Granato e Carl Westhoff, pela contribuição na escolha do tema e
incentivo durante a elaboração desta Dissertação.
Aos Engenheiros Eduardo dos Santos Barata (UTE Bahia – Usina Termelétrica) e
Paulo Lima (ECOLUZ), pelas colaborações que muito facilitaram o
desenvolvimento deste trabalho.
À Promon Engenharia por ter me cedido as horas necessárias para o
desenvolvimento do curso de Mestrado e por ter patrocinado diversos seminários
dentro e fora do Estado do Rio de Janeiro sobre o tema Biodiesel.
Aos professores que participaram da Comissão examinadora.
Aos meus colegas da PUC-Rio.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica
da PUC-Rio pelos ensinamentos e pela ajuda.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Resumo
Torres, Felipe Carneiro da Cunha; José Alberto dos Reis Parise (Orientador).
Utilização do Biodiesel para a Geração de Energia Elétrica no Brasil.
Rio de Janeiro, 2006. 115p
. MSc. Dissertação – Departamento de
Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Com a assinatura da Lei 11.097 de 13 de Janeiro de 2005, o Biodiesel fica
introduzido na matriz energética brasileira. Até o fim de 2007, a mistura deste
biocombustível ao diesel mineral, derivado do petróleo, é voluntária pelas
distribuidoras de combustíveis. A partir de Janeiro de 2008, todo o óleo diesel
será comercializado obrigatoriamente com 2% de Biodiesel misturado e, a partir
de 2013 a mistura deverá conter 5% de Biodiesel. O mercado potencial de
Biodiesel para esta meta de 2008 é de aproximadamente 800 mil toneladas
anuais. Revela-se, portanto, um enorme esforço de todas as esferas
interessadas neste mercado: instituições de ensino e pesquisa, agro-indústrias,
indústrias ligadas ao setor energético, entre outras, com objetivo de se atingir a
meta estipulada pela Lei. Como parte deste esforço, no presente trabalho foram
levantados aspectos técnicos, econômicos, sociais e ambientais sobre a
implementação do programa de implementação do Biodiesel na matriz energética
brasileira, visando identificar os prós e contras da utilização deste biocombustível.
Um modelo de análise termodinâmica de uma usina termelétrica foi desenvolvido
para descrever o comportamento de motores ciclo diesel de grande porte operando
com 4 tipos diferentes de Óleo Combustível e 5 tipos de Biodiesel.
Palavras-Chave
Biodiesel ; Geração de Eletricidade ; Balanço Térmico ; Motor diesel ;
Energia Alternativa; Biomassa.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Abstract
Torres, Felipe Carneiro da Cunha; José Alberto dos Reis Parise (Advisor).
Aspects of Electricity Generation in Brazil, using Biodiesel as Fuel. Rio
de Janeiro, 2006. 115p
. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia
Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
With the Federal Act number 11.097, from January 13, 2005, Biodiesel is
introduced in the Brazilian energy matrix. To the end of 2007, a voluntary mixture
of this fuel to mineral diesel oil can be prepared by fuel distributors. From January
2008, diesel oil will have to be commercialized with 2% of Biodiesel. This
percentage is to be increased to 5% by 2013. The goal for 2008 means,
approximately, 800 thousand ton of Biodiesel annually. All parts involved,
universities, research institutes, agro business and energy industries, among
others, have been putting a great deal of effort to meet the target set by Federal
Government. The present work is a small contribution to this effort. Technical,
economical, social and environmental aspects of the problem have been taking
into account in the present study, in order to identify pros and cons of the
utilization of Biodiesel. A simple thermodynamic model of a thermal-electric
power plant was developed to predict the behavior of a large capacity diesel
engine operating with conventional fuel (four different types of fuel oil) and with
Biodiesel.
Key-Words
Biodiesel; Electricity Generation; Energy Balance; Diesel Engine;
Alternative Energy, Biomass.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Sumário
1. Introdução 16
1.1. Objetivo 16
1.2. Organização do Trabalho 16
1.3. Situação Atual do Setor Elétrico Brasileiro 17
1.4. Cenário Brasileiro 19
1.5. Análise das Alternativas Atuais e Oportunidades para Expansão
do Setor de Geração de Energia Elétrica no Brasil 21
2. O Biodiesel 25
2.1. Experiência da Europa com o Biodiesel 25
2.2. Experiência dos EUA com o Biodiesel 30
2.3. Aspectos Técnicos do Biodiesel 31
2.4. Aspectos Econômicos sobre o Biodiesel 59
2.5. Aspectos Sociais do Biodiesel 63
2.6. Aspectos Ambientais sobre o Biodiesel 64
3. Simulação de uma Usina Termelétrica 70
3.1. Sistema a ser modelado 71
3.2. Modelo Matemático 77
3.3. Solução – EES 85
3.4. Atrito em motores Diesel 86
3.5. Número de Cetano
88
4. Resultados 91
4.1. Casos estudados 91
4.2. Resultados 91
4.3. Compilação dos resultados 92
5. Conclusões 97
6. Referências Bibliográficas 99
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Lista de Figuras
Figura 01 -
Processamento da contabilização da energia elétrica
produzida e consumida no Brasil.
Figura 02 - Estrutura da oferta de eletricidade no Brasil.
Figura 03 - Capacidade de produção anual de Biodiesel na União
Européia.
Figura 04 - Produção anual de Biodiesel na União Européia.
Figura 05 - Capacidade de produção anual de Biodiesel na Alemanha.
Figura 06 - Preços do Biodiesel e do Diesel na bomba de combustível
na Alemanha.
Figura 07 - Produção anual de Biodiesel nos Estados Unidos da
América.
Figura 08 -
Variação do poder lubrificante para diferentes blends de
Biodiesel.
Figura 09 - Variação do ponto de névoa (cloud point), do ponto de
para diferentes concentrações de Biodiesel.
Figura 10 - Variação nas emissões de poluentes para diferentes
concentrações de Biodiesel.
Figura 11 - Distribuição da utilização de óleos vegetais para se
transformar em Biodiesel.
Figura 12 - Produção anual de mamona no Brasil.
Figura 13 - Modelo proposto de comercialização do Biodiesel.
Figura 14 - Comparação entre emissões de Biodiesel produzido por
diferentes matérias-primas.
Figura 15 -
Balanço de massa e energia em um motor a combustão
interna.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Figura 16 - Modelo do grupo moto-gerador.
Figura 18 -
Efeito do número de cetano na emissão de fumaça em motor
Diesel
Figura 19 -
Diferença de consumo de combustível por dia de operação
considerando apenas um grupo moto-gerador operando.
Figura 20 -
Diferença de consumo de combustível por mês de operação.
Figura 21 -
Diferença de consumo de combustível por ano de operação.
Figura 22 -
Diferença de custo de aquisição combustível por mês de
operação.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Lista de Tabelas
Tabela 01- Principais diferenças dos modelos do setor elétrico
brasileiro, antes e após a reestruturação do setor.
Tabela 02 -
Especificação do Biodiesel B100 pela ANP.
Tabela 03 - Comparação de propriedades entre Diesel n
o
2 e Biodiesel.
Tabela 04 - Propriedades do Biodiesel pela norma ASTM D6751.
Tabela 05 - Pontos de interesse para Utilização de Biodiesel em Baixas
Temperaturas.
Tabela 06 - Consumo de óleo Diesel no Brasil em 2004.
Tabela 07 - Comparação de emissões da queima de Biodiesel
proveniente de óleo de soja, em relação à queima de
diesel.
Tabela 08 - Características de alguns óleos combustíveis.
Tabela 09 - Comparação entre Potências de um motor funcionando
com diferentes combustíveis.
Tabela 10 - Comparação entre Eficiências de um motor funcionando
com diferentes combustíveis.
Tabela 11 -
Comparação entre B.F.S.C. de um motor funcionando com
diferentes combustíveis.
Tabela 12 - Temperatura estimada dos gases de exaustão para
diferentes combustíveis
Tabela 13 - Apresentação do número de cetano para diferentes tipos de
Biodiesel
Tabela 14 - Comparação entre os consumos de combustível
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Nomenclatura
B.S.F.C. Brake Specific Fuel Consumption [g/kWh]
C
a
Consumo anual de combustível [kg/mês]
C
d
Consumo diário de combustível [kg/dia]
C
m
Consumo mensal de combustível [kg/mês]
fa,e,m
p
c
Calor específico do fluido de arrefecimento na entrada do
motor [kJ/kg.
0
C]
ex,s,m
p
c
Calor específico do fluido de arrefecimento na saída do
motor [kJ/kg.
0
C]
ar,e,m
p
c
Calor específico do ar na entrada do motor [kJ/kg.
0
C]
cb,e,m
p
c
Calor específico do combustível na entrada do motor
[kJ/kg.
0
C]
Ė
cb,e,m
Taxa de fornecimento de energia pelo combustível [kW]
Ė
ei,s,m
Demanda de potência [kW]
Ė
ex,s,m
Taxa de energia perdida pelos gases de exaustão [kW]
Ė
fa,s,m
Taxa de energia retirada pelo fluido de arrefecimento [kW]
Ė
perdas,s,m
Taxa de energia perdida por outras formas de energia [kW]
ag,s,c
h
Entalpia da água na saída do aquecedor de óleo [kJ/kg]
ag,e,c
h
Entalpia da água na entrada do aquecedor de óleo [kJ/kg]
ag,s,c
h
Entalpia da água na saída do aquecedor de óleo [kJ/kg]
ag,e,a
h
Entalpia da água na entrada do aquecedor de óleo [kJ/kg]
ag,s,a
h
Entalpia da água na saída do aquecedor de óleo [kJ/kg]
•
ag,e,c
m
Vazão mássica de água na caldeira [kg/s]
•
ag,e,a
m
Vazão mássica de água no aquecedor de combustível [kg/s]
•
cb,e,a
m
Vazão mássica de combustível no aquecedor de combustível
[kg/s]
•
cb,e,m
m
Vazão mássica do combustível na entrada do motor [kg/s]
•
fa,e,m
m
Vazão mássica do fluido de arrefecimento [kg/s]
•
ar,e,m
m
Vazão mássica de ar [kg/s]
A
P
Potência de atrito [kW]
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
PCI Poder calorífico inferior [kJ/kg]
PCI
cb,e,m
Poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg]
c
Q
•
Taxa de rejeito de calor da caldeira [kW]
•
a
Q
Taxa de rejeito de calor do aquecedor de combustível [kW]
r
c
Razão entre o consumo específico do combustível analisado
pelo consumo específico do combustível de referência [-]
ex,s,m
T
Temperatura dos gases de exaustão na saída do motor [
0
C]
ar,e,m
T
Temperatura dos gases de exaustão na entrada do motor
[
0
C]
cb,e,m
T
Temperatura do combustível na entrada do motor [
0
C]
ex,e,c
T
Temperatura dos gases de exaustão na entrada da caldeira
[
0
C]
ex,s,c
T
Temperatura dos gases de exaustão na saída da caldeira [
0
C]
cb,s,a
T
Temperatura do combustível na saída do aquecedor de
combustível [
0
C]
cb,e,a
T
Temperatura do combustível na entrada do aquecedor de
combustível [
0
C]
ex,s,m
T
Temperatura dos gases de exaustão na saída do motor [
0
C]
A
T
Torque de atrito [N.m]
fa,s,m
T
Temperatura do fluido de arrefecimento na saída do motor
[
0
C]
fa,e,m
T
Temperatura do fluido de arrefecimento na entrada do motor
[
0
C]
cb,e,a
T
Temperatura do combustível na entrada do aquecedor de
combustível [
0
C]
∀
Cilindrada [l]
•
V
Volume consumido na unidade de tempo [m³]
•
W
Potência elétrica [W]
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
.
Símbolos Gregos
α
αα
α
ex,s,m
Porcentagem da energia total que entra no motor, perdida
pelos gases de exaustão [-]
α
αα
α
fa,s,m
Porcentagem da energia total que entra no motor, perdida
pelo fluido de arrefecimento [-]
α
αα
α
mec,s,m
Eficiência térmica do motor [-]
α
αα
α
perdas,s,m
Porcentagem da energia total que entra no motor, perdida
sob outras formas de energia [-]
ρ
ρρ
ρ
Massa específica [kg/m³]
ω
Velocidade angular [rpm]
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
16
.
1
Introdução
Com a assinatura da Lei Federal número 11.097 de 13 de Janeiro de 2005
(Congresso Nacional, 2005), abre-se um mercado potencial de produção de
Biodiesel de aproximadamente 800 mil toneladas anuais. Contudo, para se
atenderem às normas nacionais e internacionais de produção e uso do Biodiesel,
numerosos trabalhos têm sido publicados a respeito dos diferentes tipos de
Biodiesel, provenientes de diferentes matérias primas, diferentes rotas
tecnológicas de produção, e também sobre impactos sociais, ambientais
estratégicos entre outros. Geralmente, cada trabalho publicado concentra-se em
um dos aspectos acima, havendo, ainda, uma lacuna de trabalhos que
ponderem, de maneira abrangente, sobre todos os aspectos, positivos e
negativos, da implementação do programa de Biodiesel no Brasil.
1.1.
Objetivo
O presente trabalho busca contribuir para esta lacuna, reunindo os
principais aspectos técnicos, econômicos, sociais em ambientais a respeito da
produção e utilização do Biodiesel no Brasil.
Adicionalmente é apresentado um modelo termodinâmico para se avaliar o
comportamento de um motor ciclo diesel de grande porte (Diesel lento) operando
com Biodiesel, proveniente de matéria prima tipicamente brasileira. Apesar de já
existirem na Europa usinas termelétricas operando com Biodiesel, não foram
encontrados, na literatura brasileira, trabalhos de simulação para centrais
térmicas deste tipo.
1.2.
Organização do Trabalho
Esta dissertação está dividida em quatro capítulos.
O primeiro capítulo tem como objetivo descrever a situação do setor
energético brasileiro, as alternativas de expansão e como o Biodiesel se situa na
matriz energética brasileira.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
17
.
O segundo capítulo aborda os aspectos técnicos, econômicos, sociais e
ambientais, incluindo oportunidades do protocolo de Kyoto, sobre a produção e
utilização de Biodiesel no Brasil. Neste capítulo é feito um paralelo com as
experiências sobre este biocombustível na Europa e Estados Unidos da
América.
No capítulo seguinte, o terceiro, é apresentado um modelo de simulação
termodinâmica de um motor ciclo diesel utilizando o Biodiesel como combustível.
Apesar do programa de utilização de Biodiesel brasileiro não ser destinado à
utilização do Biodiesel puro e sim misturado ao diesel mineral, esta alternativa
não deve ser descartada. Pode tornar-se atraente, principalmente, para
comunidades isoladas, onde o custo do transporte de diesel mineral é elevado.
O capítulo de número quatro trata das conclusões e sugestões para
trabalhos futuros.
1.3.
Situação Atual do Setor Elétrico Brasileiro
O setor elétrico brasileiro tem sofrido grandes mudanças estruturais nos
últimos anos com o objetivo de introduzir a livre competição nos segmentos de
geração e comercialização (Lora e Nascimento, 2004). A partir de 1991, várias
alterações na legislação foram introduzidas visando atrair a participação do
capital privado, abrindo espaço para a geração descentralizada de energia. A
reformulação também possibilitou a inserção de novos agentes na prestação dos
serviços de energia elétrica, entre eles a Agência Nacional de Energia Elétrica –
ANEEL e o Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS.
Lora e Nascimento (2004) citam que a reestruturação do setor foi
conduzida pelo Ministério das Minas e Energia – MME e teve como principais
objetivos reduzir o papel do Estado nas funções tipicamente empresariais e
desverticalizar o setor, o que pode ser verificado pela venda de concessionárias
de energia elétrica, como a Light, CERJ, CESP e Excelsa.
Os anos 90 reuniram todos os fatores que poderiam contribuir para o
agravamento de uma crise no Setor Elétrico: o esgotamento da capacidade de
geração de energia elétrica das hidrelétricas existentes, o aquecimento da
economia provocado pelo Plano Real, a necessidade de novos investimentos e a
escassez de recursos do Governo para atender a esta necessidade diante de
outras prioridades (Lora e Nascimento, 2004).
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
18
.
Fazia-se necessário encontrar alternativas que viabilizassem uma reforma
e expansão do setor, com capitais privados e a entrada de novos agentes, onde
o governo assumisse o papel de agente orientador e fiscalizador dos serviços de
energia elétrica.
Lora e Nascimento (2004) citam que, através do Projeto RE-SEB (Projeto
de Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro) de 1996, iniciou-se a fase de
concepção do novo modelo, sob a coordenação da Secretaria Nacional de
Energia do Ministério de Minas e Energia, chegando-se à conclusão de que era
preciso criar uma Agência Reguladora (Agência Nacional de Energia Elétrica -
ANEEL), um operador para o sistema (Operador Nacional do Sistema Elétrico -
ONS) e um ambiente (Mercado Atacadista de Energia Elétrica - MAE), através
de uma operadora (Administradora de Serviços do Mercado Atacadista de
Energia Elétrica - ASMAE), onde fossem transacionadas as compras e vendas
de energia elétrica. O Projeto RE-SEB foi concluído em agosto de 1998 (Lora e
Nascimento, 2004).
No segmento de produção de energia elétrica, o modelo implementado
abrange três modalidades de exploração: serviço público, produção
independente e autoprodução. A produção independente, em decorrência da
criação do Produtor Independente de Energia – PIE no novo modelo, possibilita
a entrada de novos investidores com autonomia para realização de contratos
bilaterais de compra e venda, de forma competitiva e com flexibilidade para
consolidação de suas estratégias neste segmento (Lora e Nascimento, 2004).
No segmento de transporte de energia elétrica, onde o setor de distribuição
também está sendo privatizado, a participação do capital privado já é majoritária.
No setor de transmissão, o processo de licitação das linhas de transmissão está
em andamento (Lora e Nascimento, 2004).
A mudança de papel do Estado no mercado de energia, deixando de ser
executor para se tornar basicamente regulador, exigiu a criação de um órgão
altamente capacitado para normatizar e fiscalizar as atividades do setor elétrico.
Neste contexto de participação de capital privado no setor fez-se necessária à
criação da ANEEL, pela Lei n
o
9.427 de 1996 (ANEEL, 2005), com finalidade de
regular e fiscalizar a produção, transmissão, distribuição e comercialização de
energia elétrica. Adicionalmente, em 1997, regulamentou-se o acesso às redes
de transmissão o que garantiu que o PIE pudesse vender excedentes de
eletricidade a terceiros independentemente das concessionárias locais.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
19
.
As principais diferenças entre modelos, antigo e novo, de acordo com a
Câmara de Comércio de Energia Elétrica (CCEE, 2005), são descritas na tabela
abaixo:
Modelo Antigo Modelo Novo
Financiamento através de recursos
públicos
Financiamento através de recursos
públicos (BNDES) e privados
Empresas estatais verticalizadas Concessionárias divididas por atividade:
geração, transmissão, distribuição e
comercialização.
Maioria de empresas estatais Abertura para empresas privadas
Monopólios com competição
inexistente
Competição na geração e
comercialização
Consumidores cativos Consumidores Livres e Cativos
Tarifas reguladas Preços livremente negociados na
Geração e Comercialização.
1.4.
Cenário Brasileiro
De acordo com dados do Ministério das Minas e Energia (MME, 2005), o
Balanço Energético Nacional de 2004 indica que a geração pública energia
elétrica e de autoprodutores do Brasil atingiu 364,9 TWh em 2003, resultado
5,6% superior ao de 2002.
As importações de 37,1 TWh, somadas à geração interna, permitiram uma
oferta total de energia de 402,1 TWh, montante 5,2% superior ao de 2002 (MME,
2005).
A geração nuclear, que em 2001 havia tido um grande incremento em
decorrência da plena geração de Angra II, passando de 6,1 TWh para 14,3 TWh,
teve ligeiro declínio em 2002, passando a 13,8 TWh (-3,1%). Em 2003 seguiu
decrescendo, com geração de 13,4 TWh (-3,5%).
Já o gás natural, segundo o MME (2005), continuou a trajetória de
crescimento na geração de eletricidade. Na geração pública manteve o patamar
Tabela 01 – Principais diferenças dos modelos do setor elétrico brasileiro,
antes e após a reestruturação do setor.
Fonte: Câmara de Comércio de Energia Elétrica, 2005
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
20
.
de 9,1 TWh e na geração de autoprodutores passou de 3,3 TWh para 4,04 TWh.
O gás natural já participa em 3,6% da geração total do País.
O incremento de 4,7% na geração total de autoprodutores se concentrou,
principalmente, nos setores de papel e celulose e sucroalcooleiro .
A estrutura da oferta de energia elétrica de 2003 pode ser observada no
gráfico da figura 02:
Segundo o MME (2005), a capacidade instalada de geração do Brasil
atingiu, em 2003, com um acréscimo de 4 GW, o montante de 86,5 GW,
incluindo serviço público e autoprodutores. As principais usinas que entraram em
operação foram: UHE Tucuruí, PA – unidades 13, 14 e 15 (1125 MW), UHE
Itapebi, BA – unidades 1, 2 e 3 (450 MW), UTE Fortaleza, CE – unidade 1 (324
MW), UTE Camaçari, BA - unidades 1, 2 e 3 (210 MW), UTE Termonorte II, RO –
unidade 3 (194 MW), UTE Termobahia, BA - unidade 1 (179 MW) e UTE
Canoas, RS – unidade 1 (160 MW).
Figura 02: Estrutura da Oferta de Eletricidade no Brasil.
Fonte: Balanço Energético Nacional (MME, 2004)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
21
.
1.5.
Análise das Alternativas Atuais e Oportunidades para Expansão do Setor
de Geração de Energia Elétrica no Brasil
O sistema elétrico brasileiro é caracterizado por grandes extensões de
linhas de transmissão e, como citado, por um parque gerador
predominantemente hidrelétrico.
Na década de 90 o Brasil experimentou uma retomada do crescimento
econômico, impulsionado pelo controle da inflação por conseqüência do Plano
Real. Este crescimento econômico levou à necessidade de expansão da
capacidade de geração de energia elétrica. Contudo, as condições hidrológicas
desfavoráveis no ano de 2001, aliadas a sucessivos anos em que o crescimento
da demanda não era acompanhado pela oferta (Lora e Nascimento, 2004),
resultaram em situação de racionamento energético. Como resultado imediato
voltou-se a ter demanda equivalente à de 1995, com recuperação após o término
do racionamento. De qualquer forma, os investimentos privados no setor e o
crescimento histórico indicam que o consumo de energia elétrica deve expandir-
se, nos próximos anos, a uma taxa média anual de 3,5%, sendo 7% na classe
residencial, 6% na comercial e 2,5% na industrial (Lora e Nascimento, 2004).
Ainda segundo Lora e Nascimento (2004), investimentos realizados nos
últimos anos, da ordem de US$ 4,5 a 5,0 bilhões ao ano, dos quais cerca de
50% destinados à geração, não têm sido suficientes para garantir acréscimo
anuais em torno de 3.500 MW à capacidade instalada de geração, potência
necessária para atender ao crescimento verificado na demanda.
Neste cenário, pode-se verificar que as principais oportunidades de
negócio do setor são:
a. Novos empreendimentos de geração de energia elétrica;
b. Novas linhas de transmissão;
[1]
c. Privatização de sistemas de distribuição e de geração;
d. Instalação de sistemas descentralizados, para atender
áreas isoladas, utilizando fontes de energia renovável.
[1]
O sistema de transmissão, com mais de 170.000km de extensão, é desenvolvido por empresas, na sua maioria, de
controle dos governos federal e estaduais, não estando previsto, a curto prazo, a privatização destes ativos. O ingresso
de capital privado é exercido através da concessão de novos empreendimentos
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
22
.
1.5.1.
Geração Hidrelétrica
O Brasil tem a maior parte da sua energia elétrica gerada por este tipo de
aproveitamento, aproximadamente 74,3% de acordo com o Balanço Energético
Nacional de 2004. Segundo o planejamento da Eletrobrás – Plano 2015
(Eletrobrás, 2005) – é recomendada a utilização de todas as fontes de energia
para geração de energia elétrica, mas é considerado prioritário o
desenvolvimento do programa hidrelétrico complementado por um programa
termelétrico nuclear, a carvão e a gás natural (Coelho, 1999).
Atualmente, esforços têm sido dirigidos a incentivar a construção de usinas
de menor porte, como as Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH`s
[2]
, além da
recapacitação de grandes centrais existentes.
Novos projetos de centrais de grande porte estão condicionados a fatores
como a atratividade econômica e, cada vez mais, a fatores sócio-ambientais; o
que não quer dizer que a execução de grandes usinas venha a ser abandonada,
uma vez que ainda existem aproveitamentos atrativos, como na região
amazônica, e ainda porque até mesmo as previsões mais pessimistas de
crescimento de carga indicam a impossibilidade de seu atendimento apenas com
pequenas centrais ou outras formas de geração (Coelho, 1999).
1.5.2.
Geração Termelétrica – a partir de fontes renováveis e não
renováveis
1.5.2.1.
Geração Termelétrica a partir de fontes não renováveis
A geração termelétrica a partir de fontes não renováveis é ilustrada pelas
centrais nucleares, centrais a vapor e centrais a diesel.
As centrais nucleares que se encontram em operação, no momento, são as
usinas de Angra I e II. Enquanto isto, a usina de Angra III, que conta com muitos
equipamentos já adquiridos e que por este motivo já consumiu e continua
consumindo substanciais investimentos, encontra-se no foco de discussões
sobre a conveniência ou não de se continuar com o projeto (Lora e Nascimento,
2004). Aliados ao fator econômico, devem ser levados em conta os aspectos
sócio-ambientais, em razão da segurança da operação da planta e do destino
[2] Por intermédio do PROINFA, programa coordenado pelo MME, foi estabelecida a contratação de 3.300
MW de energia no Sistema Interligado Nacional (SIN), produzidos por fontes eólica, biomassa e PCHs,
sendo 1.100 MW de cada fonte)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
23
.
dos resíduos, além, é claro, do posicionamento estratégico do Brasil no cenário
dos detentores da tecnologia nuclear.
As centrais a vapor têm usado principalmente óleo combustível e carvão
(principalmente no Sul do país), enquanto que as centrais diesel têm sido
aplicadas principalmente nos sistemas isolados (principalmente no Norte do
país).
As centrais a carvão mineral são as com maiores perspectivas de
investimento no Brasil, em face da disponibilidade deste combustível no mercado
e da existência de políticas energéticas de incentivo, como a Conta de
Desenvolvimento Energético – CDE
[3]
.
As centrais a gás natural permitem a geração de energia elétrica com
impactos ambientais menores que outras formas tradicionais, o que o posiciona
como um forte candidato a servir como ponte na transição para uma situação
energética mais baseada em recursos renováveis, embora a disponibilidade
deste combustível esteja ameaçada.
1.5.2.2.
Geração Termelétrica a partir de fontes renováveis
Sua maior aplicação está na cogeração industrial, a partir de resíduos de
processo ou uso de biomassa. O bagaço da cana-de-açúcar, por exemplo, é
usado no setor sucro-alcooleiro em sistema de cogeração, produzindo vapor e
eletricidade para consumo próprio e vendendo o excedente.
Projetos associados à geração de energia elétrica a partir da utilização de
resíduos urbanos (lixo) começam a ser considerados no Brasil.
A criação do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia
Elétrica – PROINFA, o qual inclui a geração termelétrica a partir de biomassa e
se constitui essencialmente da utilização dos recursos da CDE, no sentido de
tornar competitivas e ainda da compra compulsória por todos os consumidores
finais de energia proveniente, tendo a ELETROBRÁS como comercializadora
(Lora e Nascimento, 2004).
[3] O A Lei número 10.438, de 26 de abril de 2002, instituiu a CDE visando, entre outras coisas, a competitividade da
geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, do gás natural e do carvão mineral nacional
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
24
.
1.5.3.
Outras tecnologias de geração
As mais relevantes no momento, devido à maior disponibilidade de
aplicação em curto prazo, são as energias eólica e solar. Tais tecnologias têm
sido mais difundidas no Brasil em comunidades isoladas e de difícil acesso.
A geração de energia elétrica a partir da energia eólica nem sempre é
possível, devido à disponibilidade do vento. Esta tecnologia tem sofrido um
grande crescimento em termos mundiais, principalmente em países como os
Estados Unidos, Holanda e Alemanha (Lora e Nascimento, 2004). No Brasil,
embora com participação ainda tímida, o crescimento é promissor, impulsionado
pelo PROINFA que na sua primeira fase possui meta de novos 1.100 MW de
geração a partir da fonte eólica (Lora e Nascimento, 2004).
A geração de energia elétrica a partir da energia solar apresenta altos
custos de implementação. Estudos sobre o tema acreditam que, em relação à
geração fotovoltaica, os custos poderão sofrer uma significativa redução (Lora e
Nascimento, 2004), devido ao fator de escala, quando este tipo de geração se
tornar mais disseminado. Atualmente sua aplicação se dá tipicamente em países
desenvolvidos para a alimentação de pequenos sistemas isolados ou
equipamentos solitários.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
25
.
2
O Biodiesel
2.1.
Experiência da Europa com o Biodiesel
A Europa é a líder mundial em produção de Biodiesel. Combinando a
produção de Biodiesel da Alemanha, França e Itália chega-se a um número
aproximadamente igual a dezoito vezes a produção dos Estados Unidos, relata
Pahl (2005).
De acordo com o EBB (2005), a capacidade de produção de Biodiesel na
Europa Ocidental no ano de 2004 era de aproximadamente 2,2 milhões de
toneladas por ano. Este volume era proveniente de mais de 50 plantas de
produção, localizadas principalmente na Alemanha, que é responsável por
aproximadamente metade da capacidade da União Européia – EU; algo em
torno de 1 milhão de toneladas por ano. A França aparece em segundo lugar,
com capacidade de aproximadamente 502.000 toneladas por ano, seguida da
Itália com 419.000 toneladas por ano e Áustria em quarto lugar da lista, com
100.000 toneladas por ano. Logo depois tem-se a Espanha, com capacidade de
produzir anualmente 70.000 toneladas de Biodiesel.
Figura 03: Capacidade de Produção Anual de Biodiesel na União Européia.
Fonte: European Biodiesel Board (EBB, 2005)
Capacidade de Produção An
ual de Biodiesel na UE
(mil toneladas)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
26
.
A Europa vem produzindo Biodiesel em escala industrial desde 1992,
primariamente em resposta às ações de várias instituições e ações da UE (Pahl,
2005). Neste ano, ocorreram mudanças de regras na Política Comum de
Agricultura – “European Union’s Common Agricultural Policy (CAP)”. As
mudanças impactaram profundamente a indústria do Biodiesel na Europa.
Segundo Pahl (2005), a produção na Alemanha, que, em 1992, era de apenas
5.000 toneladas, subiu no ano seguinte para 10.000 toneladas. A França, que
tinha produção praticamente nula em 1992, passou a produzir 20.000 toneladas
no ano seguinte.
O grande salto na produção de Biodiesel na Europa se deu por volta da
virada do século XXI, impulsionado pela queda do preço dos óleos vegetais e do
alto preço dos derivados do petróleo, figura 04. Naquela época, podem-se
registrar significativos crescimentos de capacidade de produção, principalmente
na Alemanha, com aumento de aproximadamente 200% (Pahl, 2005). Neste país
a produção em 1999 era de 130.000 toneladas e, em 2002, foram registradas
500.000 toneladas de produção de Biodiesel.
A despeito de novas legislações, que promoveriam a produção e uso de
biocombustíveis na UE, o ano de 2004 foi um ano difícil para a indústria do
Biodiesel, por causa da tendência de aumento dos preços dos óleos vegetais no
mercado mundial. “Os atuais preços dos óleos vegetais na Europa estão
definitivamente causando problemas aos produtores de Biodiesel”, afirmou
Raffaello Garofalo, secretário geral do European Biodiesel Board (EBB, 2005).
Dependendo da matéria prima para a produção de Biodiesel e do processo
empregado, a porcentagem do preço final do Biodiesel, referente à matéria
Figura 04: Produção Anual de Biodiesel na União Européia.
Fonte: European Biodiesel Board (EBB, 2005)
Produção Anual de Biodiesel na UE (mil toneladas)
Fonte: European Biodiesel Board – EBB, 2004
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
27
.
prima, representa algo em torno de 60 a 80%. Fica evidente, então, que qualquer
flutuação no preço praticado para os óleos vegetais afeta direta e
significativamente o preço do Biodiesel.
O direcionamento do programa de Biodiesel da União Européia objetiva a
substituição de 2% do diesel usado para transportes em 2005, 5,75% em 2010, e
20% em 2020 (NAE, 2005).
A principal matéria-prima utilizada na Europa é a colza, uma espécie de
couve comestível, também conhecida como canola. Estudos realizados pelo
EBB (EBB, 2005) mostram que, apesar de o Biodiesel ser uma alternativa
tecnicamente viável, devido ao fato de os custos de produção de Biodiesel
serem, na Europa, em média, cerca de 1,5 a 3 vezes superiores ao custo de
produção do diesel mineral, seu uso torna-se não competitivo, mesmo
considerando os créditos por subprodutos associados como a venda da glicerina
e torta residual. Fica evidente que a utilização do Biodiesel se torna viável
somente se forem considerados fatores indiretos, tais como impacto ambiental,
geração e manutenção de emprego e, principalmente, subsídios. Segundo o
Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República (NAE, 2005)
estes subsídios, em forma de isenção de impostos, estão estimados em
aproximadamente 2,5 bilhões de Euros por ano, para se atingir a meta de 2010.
2.1.1.
Experiência da Alemanha
A Alemanha é hoje o maior produtor mundial de Biodiesel. Em 2004
produziu, segundo o EBB (EBB, 2005), 1.035 mil toneladas de Biodiesel. A
capacidade de produção cresceu drasticamente, como pode ser visto no gráfico
da figura 05.
Na Alemanha, o Biodiesel conseguiu espaço no mercado de combustíveis
primariamente como combustível para veículos terrestres, como automóveis e
caminhões, e utilizado puro, sem misturar ao óleo diesel. Em 2003 foi aprovada
a utilização de misturas de Biodiesel. Sua introdução no mercado foi possível,
segundo o UFOP (UFOP, 2005) devido a diversos fatores. Entre eles pode-se
citar: (1) a isenção de tributos típicos de combustíveis para o Biodiesel, o que o
tornou mais barato que o óleo diesel veicular (ver figura 06), (2) a proibição, em
1996, da venda em postos de combustíveis de gasolina aditivada com chumbo
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
28
.
tetraetila, e, ainda, (3) pela criação do governo em 1999 de uma taxa adicional
ecológica em combustíveis fósseis.
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Forças institucionais também foram responsáveis pelo sucesso do
Biodiesel na Alemanha. Há grande interação entre os produtores de Biodiesel e
fabricantes como Merceds-Benz, Volkswagen, Audi, BMW e MAN. A Associação
Figura 05: Capacidade de Produção Anual de Biodiesel na Alemanha.
Fonte: Status Report Biodiesel - Biodiesel Production and Marketing in Germany 2005 - Union zur
Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP, 2005 - União Para Promoção de Óleos e Proteínas
Vegetais)
Figura 06: Preços do Biodisel e do Diesel na bomba de combustível na Alemanha.
Fonte: Status Report Biodiesel - Biodiesel Production and Marketing in Germany 2005 -
Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP, 2005 - União Para Promoção
de Óleos e Proteínas Vegetais)
Capacidade de P
rodução Anual de Biodiesel na Alemanha
(mil toneladas)
10³ Toneladas por ano
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
29
.
de Táxis da Alemanha (German Taxi Association) adotou o uso do Biodiesel em
nível nacional. Em 1998, a cidade de Kreiswerkr Heinsberg recebeu o título de
ser a primeira cidade alemã a possuir toda sua frota de ônibus (Mercedes-Benz
e MAN) operando com Biodiesel (UFOP, 2005).
A Alemanha conta com aproximadamente 1900 postos de combustível
(UFOP, 2006) espalhados por todo o País oferecendo, em suas bombas, o
Biodiesel. Esta a quantidade continua a subir. Estes postos são responsáveis
pela venda de 40% do Biodiesel vendido na Alemanha enquanto que o restante
é destinado, primariamente, ao transporte público.
A UFOP (2005) cita que a qualidade do Biodiesel produzido e vendido na
Alemanha é garantida pela Norma DIN (Deutsches Institute für Normung) EN
14214 e por um selo de qualidade fixado nas bombas de Biodiesel certificadas
pala Associação para Qualidade do Biodiesel (Arbeitsgemeinschaft
Qualitatsmanagement Biodiesel – AGQM).
2.1.2.
Experiência da França
A França liderou o ranking de maiores produtores de Biodiesel entre os
anos de 1993 e 1999 e hoje ocupa a segunda posição, com o número de
366.000 toneladas anuais de produção, número aproximadamente 3 vezes maior
que a produção de etanol no País (Pahl, 2005).
O uso do Biodiesel na França é primariamente misturado à razão de 5% no
diesel e em óleo para aquecimento, mas concentrações entre 5% e 30% também
são encontradas para veículos de frotas francesas. De acordo com Pahl (2005),
aproximadamente 4.000 veículos estão envolvidos em programas de Biodiesel.
Entre estes veículos podem ser citados os ônibus públicos de Paris, Bordeaux,
Dijon, Dunkirk, Grenble e Strasbourg.
A maior planta de produção de Biodiesel da Europa está localizada na
cidade francesa de Grand-Couonne, Normandia. Esta planta tem capacidade de
produzir 250.000 toneladas por ano e pertence à Diester Industrie, que é
responsável por 80% do mercado Francês. A planta foi construída em 1995 ao
custo de 18 Milhões de Euros (Pahl, 2005).
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
30
.
2.1.3.
Experiência da Itália
Pahl (2005) relata que a Itália aparece em um cenário de dependência de
importação de energia na ordem dos 80%, tornando-a vulnerável neste setor.
Por outro lado, oferecem boas perspectivas de longo prazo aos produtores de
Biodiesel. A produção italiana, em 2003, foi de 210.000 toneladas anuais de
Biodiesel e em 2004, alcançou aproximadamente 320.000 toneladas. Deste total,
aproximadamente 90% foram destinados ao aquecimento na composição B100 e
por vezes B20, que são respectivamente o Biodiesel puro e a mistura com 20%
de Biodiesel. O restante foi vendido como mistura de 5% (B5) nas bombas de
postos públicos de abastecimento ou utilizado como B30 no transporte público
de cidades como Florença, Gorgonzola, Pádua, e Perúgia.
2.2.
Experiência dos EUA com o Biodiesel
O programa americano de Biodiesel é bem menor que o europeu e
apresenta diferenças importantes. Enquanto que, na Europa, o Biodiesel se
desenvolveu essencialmente de “cima para baixo”, como resultado de novas
políticas governamentais, a indústria do Biodiesel nos EUA desenvolveu-se de
forma contrária de “baixo para cima”, suportada, principalmente, pelos
produtores de soja (Pahl, 2005). A principal matéria prima é a soja, seguida
pelos óleos de fritura usados.
A principal organização que trata de aspectos ligados ao combustível é a
National Biodiesel Board – NBB, criada em 1994 como uma associação
representativa da indústria do Biodiesel e de coordenação dos estudos e
pesquisas sobre o tema. A NBB está sediada em Jefferson City, Missouri.
A produção de Biodiesel nos EUA foi praticamente nula na década de 90,
atingindo o inexpressivo número de 1.754 toneladas em 1999. A partir de então
começou a crescer exponencialmente (Pahl, 2005) chegando ao número de
aproximadamente 105.000 toneladas em 2004, embora este ainda seja um
número tímido se comparado com a Alemanha.
A curva de crescimento na produção de Biodiesel nos EUA é representada
na figura 07. Pode-se observar um crescimento significativo a partir do ano de
1999, embora o número final ainda seja muito pequeno quando comparado,
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
31
.
também, com os mais de 122 bilhões de toneladas de diesel consumidos
anualmente no país.
0
20
40
60
80
100
120
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2.3.
Aspectos Técnicos do Biodiesel
Como já visto nas seções precedentes, o uso de óleos vegetais in natura,
como substitutos do óleo diesel, tem sido alvo de pesquisa e desenvolvimento há
muitos anos. Apesar de estes óleos possuírem alto índice de cetano e elevado
poder calorífico, diversos fatores contribuem para que a substituição em larga
escala do óleo diesel, principalmente em motores de pequeno porte, ainda seja
evitada. Motores projetados para queimar óleo diesel sofreriam com problemas
relacionados à carbonização e depósitos nos bicos injetores e sedes de válvulas,
quando queimassem óleos vegetais in natura, uma vez que suas moléculas
contém glicerina. Outros problemas estão relacionados à diluição do óleo
lubrificante, dificuldade de partida a frio, queima irregular, eficiência térmica
reduzida, odor desagradável dos gases de descarga e emissão de acroleína
(Costa, 2005). Oliveira (2004) cita que a acroleína é uma substância tóxica e é
emitida a partir da queima da glicerina contida nos óleos vegetais.
Figura 07: Produção Anual de Biodiesel nos Estados Unidos da América.
Fonte: National Biodiesel Board (NBB, 2005).
Produção Anual de Biodiesel nos EUA
10³ Toneladas por ano
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
32
.
A transformação dos óleos vegetais em um éster de ácido graxo,
popularmente conhecido como Biodiesel, é uma forma de minimizar os
problemas acima citados.
O Biodiesel pode ser produzido a partir de fontes renováveis como óleos
vegetais, gorduras animais e óleos utilizados para fritura de alimentos. Pode ser
misturado ao óleo diesel mineral (derivado de petróleo) em diversas proporções
como 2%, 5% e 20%, gerando misturas. Estas misturas são denominadas
respectivamente B2, B5 e B20 (B de “blend”). A utilização do Biodiesel também
pode ocorrer na substituição total do óleo diesel mineral, neste caso fica
denominado B100.
O processo mais desenvolvido tecnologicamente de produção de Biodiesel
é conhecido como transesterificação, e será analisado em mais detalhe em um
capítulo específico. O Biodiesel é tipicamente obtido através da reação do óleo
vegetal com metanol ou etanol, na presença de um catalisador. O metanol tem
sido o mais empregado devido ao seu baixo custo e grande disponibilidade em
países como EUA, Japão e países da Europa. O etanol, por ser disponível a
baixo custo no Brasil, provavelmente será o substrato para o Biodiesel nacional,
embora não existam incentivos governamentais privilegiando qualquer uma das
rotas tecnológicas de produção.
Os produtos desta reação de transesterificação do óleo vegetal são o
Biodiesel (éster alcoólico de ácido graxo) e a glicerina, cujo maior constituinte é o
glicerol.
O incentivo ao desenvolvimento do Biodiesel no Brasil deve surtir diversos
efeitos positivos, entre eles efeitos econômicos imediatos, ambientais e sociais.
Além do mais, beneficiaria as localidades isoladas, onde o custo do transporte
do diesel mineral é elevado.
Para melhor entendimento, e para não tornar o texto repetitivo, a partir
deste ponto onde aparecer a palavra “Diesel” será entendido como o óleo Diesel
mineral derivado do petróleo, e, quando aparecer a palavra Biodiesel, ou
somente B2, B5, B20 e B100, será entendido como o Biodiesel nas proporções
já mencionadas.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
33
.
2.3.1.
Balanço energético
Embora seja um assunto fundamental para se tomar a decisão de se
utilizar ou não um novo combustível, estudos sobre o balanço energético do
Biodiesel no Brasil, ainda não foram elaborados em grande extensão.
A decisão deve ser fundamentada levando-se em consideração a relação
entre a energia disponibilizada pelo combustível produzido e a energia
consumida no processo de produção. Esta relação é conhecida como balanço
energético.
Estudos mostram que, para o etanol produzido no Brasil, a relação entre a
quantidade de energia produzida pelo combustível e a quantidade de energia
aplicada na agroindústria da cana-de-açúcar, fornece um valor de 8,30 enquanto
que nos EUA o etanol tem uma relação 1,30 (NAE, 2005).
Para o Biodiesel foram efetuadas diversas avaliações do balanço
energético considerando a utilização de várias matérias primas. Para o caso do
Biodiesel de produzido a partir do óleo de soja, o balanço energético nos EUA
indica uma relação de aproximadamente 2,00 enquanto que no Brasil, estudos
do NAE (2005) apontam para o valor de 1,43.
Para o Biodiesel produzido a partir dos óleos dendê e a macaúba em
condição brasileira, Martins e Teixeira (1985) apresentaram respectivamente,
5,63 e 4,20. Estes valores são muito interessantes e confirmam o potencial das
palmáceas como fonte de matéria prima, tanto pela maior produtividade como
pela relação positiva de produção por consumo de energia.
2.3.2.
Especificação Técnicas
A especificação do Biodiesel para uso comercial é essencial para o
desenvolvimento de programas de Biodiesel. A estabilidade à oxidação e o
número de cetano são parâmetros que merecem especial atenção. A
estabilidade, sobretudo em climas quentes, é relevante para assegurar que,
mesmo depois de algumas semanas de armazenamento em condições normais,
o produto não tenha sido degradado. Já a cetanagem, explica Isaias Macedo
(NAE, 2005), assegura a boa combustão nos motores.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
34
.
A Resolução ANP nº 42 (ANP, 2004) aplica-se ao Biodiesel B100, de
origem nacional ou importada a ser comercializado no Brasil, que poderá ser
adicionado ao óleo diesel para formar o Biodiesel B2. No entanto, as definições
de qualidade ainda não estão bem sedimentadas. É importante também que as
condições sejam estabelecidas não somente para o B2, mas também para
outras misturas (Costa, 2005).
Costa (2005) cita que existem críticas aos critérios e padrões de qualidade
definidos pela ANP, pois estes não atendem às especificações da UE e EUA. Ao
se definirem os critérios e padrões nacionais, ocorreu alguma flexibilização para
atender às características de matérias primas nacionais, o que se apresenta
como uma possível inibição de exportação e investimento de grupos
internacionais interessados neste segmento.
A determinação das características do Biodiesel foi feita mediante o
emprego das normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), das
normas internacionais “American Society for Testing and Materials” (ASTM), da
“International Organization for Standardization” (ISO) e do “Comité Européen de
Normalisation” (CEN).
Os Estados Unidos utilizam a norma ASTM D 6751 (ASTM, 2002) para
qualificar o Biodiesel B100. Atualmente a ASTM possui a norma citada para o
B100 e a norma ASTM D 975 (ASTM, 2005) para o diesel. Não existe uma
norma aprovada para os blends de Biodiesel até o momento, estando esta
norma em fase de elaboração.
Os Biodiesel B5, e abaixo, geralmente têm suas propriedades enquadradas
na norma ASTM D 975 (ASTM, 2005). Os B20 e acima podem, também, ter suas
características enquadrando-se na ASTM D 975 (ASTM, 2005), com provável
exceção da viscosidade (DOE, 2004). Segundo o DOE (2004), os fabricantes de
motores diesel atestam que viscosidades mais altas do que as previstas na
ASTM D 975 podem causar altas pressões nos sistema de bombeamento e uma
atomização inadequada, o que pode resultar em queda de rendimento do motor.
2.3.2.1.
Biodiesel B100 – Visão Nacional
Como já foi citado, é de responsabilidade da ANP (ANP, 2005)
especificar e avaliar a conformidade da qualidade do Biodiesel. A avaliação de
conformidade à resolução ANP nº 42 (ANP, 2004) é feita mediante análise de
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
35
.
amostra obtida segundo métodos “ABNT NBR 14883 - Petróleo e produtos de
petróleo - Amostragem manual” ou “ASTM D 4057 - Prática para Amostragem de
Petróleo e Produtos Líquidos de Petróleo (Practice for Manual Sampling of
Petroleum and Petroleum Products)” ou “ISO 5555 (Animal and vegetable fats
and oils - Sampling)”.
A legislação obriga que a análise deva ser feita pelos Produtores de
Biodiesel e os resultados enviados a ANP, considerando todas as características
e métodos da especificação (ANP, 2004).
As características do combustível devem ser comparáveis à Tabela 02 e
os métodos de ensaio devem ser executados de acordo com as publicações
mais recentes dos métodos, apresentados nas tabelas presentes na Resolução
ANP nº 42 (ANP,2004)
MÉTODO
ABNT ASTM EN/ISO
CARACTERÍSTICA UNIDADE
LIMITE
NBR D
Aspecto - LII (1) - - -
7148, 1298, - , Massa específica a 20ºC kg/m3 (2)
14065 4052 -
Viscosidade Cinemática a 40°C, mm2/s (3) 10441 445 EN ISO
3104
Água e sedimentos, máx. (4) % volume
0,050 - 2709 -
Contaminação Total mg/kg (6) - - EN 12662
Ponto de fulgor, mín. 14598 93 -
°C 100,0
- - EN ISO3679
Teor de éster % massa
(6) - - EN 14103
Destilação; 90% vol.
recuperados, máx.
°C 360 (5)
- 1160 -
Resíduo de carbono dos 100%
destilados, máx.
- 4530, EN ISO
10370,
% massa
0,10
- 189 -
Cinzas sulfatadas, máx. % massa
0,020 9842 874 ISO 3987
Enxofre total - 4294 -
% massa
(6)
- 5453 EN ISO
14596
Sódio + Potássio, máx - - EN 14108
mg/kg 10
- - EN 14109
Cálcio + Magnésio mg/kg (6) - - EN 14538
Fósforo mg/kg (6) - 4951 EN 14107
Tabela 02 – Especificação do Biodiesel B100 pela resolução ANP n
o
42.
Fonte: Resolução ANP n
o
42 (ANP, 2004)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
36
.
Corrosividade ao cobre, 3h a 50
°C, máx.
- 1 14359 130 EN ISO 2160
Número de Cetano - (6) - 613 EN ISO 5165
Ponto de entupimento de filtro a
frio, máx.
°C (7) 14747 6371 -
Índice de acidez, máx. 14448 664 -
mg KOH/g
0,80
- - EN 14104
(8)
Glicerina livre, máx. - 6584 (8) (9)
-
- - EN 14105
(8) (9)
% massa
0,02
- - EN 14106
(8) (9)
Glicerina total, máx. - 6584 (8) (9)
-
% massa
0,38
- - EN 14105
(8) (9)
Monoglicerídeos. - 6584 (8) (9)
-
% massa
(6)
- - EN 14105
(8) (9)
Diglicerídeos - 6584 (8) (9)
-
% massa
(6)
- - EN 14105
(8) (9)
Triglicerídeos % massa
- 6584 (8) (9)
-
(6)
- - EN 14105
(8) (9)
Metanol ou Etanol, máx. % massa
0,5 - - EN 14110
(8)
Índice de Iodo (6) - - EN 14111
(8)
Estabilidade à oxidação a 110°C,
mín
h 6 - - EN 14112
(8)
Notas:
(1) LII – Límpido e isento de impurezas.
(2) A mistura óleo diesel/biodiesel utilizada deverá obedecer aos limites estabelecidos para massa específica a
20C constantes da especificação vigente da ANP de óleo diesel automotivo.
(3) A mistura óleo diesel/biodiesel utilizada deverá obedecer aos limites estabelecidos para viscosidade a 40C
constantes da especificação vigente da ANP de óleo diesel automotivo.
(4) O método EN ISO12937 poderá ser utilizado para quantificar a água não dispensando a análise e registro
do valor obtido para água e sedimentos pelo método ASTM D 2709 no Certificado da Qualidade.
(5) Temperatura equivalente na pressão atmosférica.
(6) Estas características devem ser analisadas em conjunto com as demais constantes da tabela de
especificação a cada trimestre civil. Os resultados devem ser enviados pelo produtor de biodiesel à ANP,
tomando uma amostra do biodiesel comercializado no trimestre e, em caso de neste período haver mudança
de tipo de matéria-prima, o produtor deverá analisar número de amostras correspondente ao número de tipos
de matérias-primas utilizadas.
(7) A mistura óleo diesel/biodiesel utilizada deverá obedecer aos limites estabelecidos para ponto de
entupimento de filtro a frio constantes da especificação vigente da ANP de óleo diesel automotivo.
(8) Os métodos referenciados demandam validação para as oleaginosas nacionais e rota de produção etílica.
(9) Não aplicáveis para as análises mono-, di-, triglicerídeos, glicerina livre e glicerina total de palmiste e coco.
No caso de biodiesel oriundo de mamona deverão ser utilizados, enquanto não padronizada norma da
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
37
.
Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT para esta determinação, os métodos: do Centro de
Pesquisas da Petrobrás – CENPES, para glicerina livre e total, mono e diglicerídeos, triglicerídeos.
2.3.2.2.
Biodiesel B100 – Visão dos Estados Unidos
De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE,
2004), as considerações para estocagem, manuseio e utilização do Biodiesel
B100 são muito diferentes se comparadas com as misturas. De qualquer forma,
o entendimento das propriedades do B100 pode ajudar na compreensão das
características das misturas.
2.3.2.2.1.
Comparação das propriedades físico-químicas do Biodiesel B100 com o
óleo Diesel n
o
2
As propriedades físico-químicas do Biodiesel B100 são bem similares às do óleo
diesel n
o
2, como pode ser visto na tabela abaixo:
Diesel
Biodiesel
(Norma ASTM D975)
(Norma ASTM D6751)
Poder calorífico inferior (PCI)
BTU/gal
~129.050
~118.170
Viscosidade cinemática
mm
2
/s (@40
0
C)
1,3~4,1
4,0~6,0
Peso específico
kg/L (@60F)
0,85
0,88
Densidade
Lb/gal (@15C)
7,079
7,328
Água e particulados
máxima % em
volume
0,05
0,05
Carbono
Wt%
87
77
Hidrogênio
Wt%
13
12
Oxigênio
Wt%
0
11
Enxofre
Máxima Wt%
0,05
0,0 ~ 0,0024
Ponto de ebulição
0
C
180 ~ 340
315 ~ 350
Ponto de fulgor
0
C
60 ~ 80
100 ~ 170
Ponto de turvamento
0
C
-15 ~ 5
-3 ~ 12
Ponto de fluidez
0
C
-35 ~ -15
-15 ~ 10
Numero de cetano
40 ~ 55
48~65
Poder lubrificante
SLBOCLE
Poder lubrificante HFRR
Microns
300 ~ 600
<300
Propriedade
Unidade
Gramas
2.000~5.000
>7.000
Como acontece com outros combustíveis, o óleo diesel é classificado em 4
sub-categorias que diferem pela viscosidade. Enquanto o óleo diesel n
o
4 é
utilizado em motores lentos e de média velocidade, que operam a velocidade
constante ou quase constante, os óleos Diesel número 1 e 2 são próprios para
Tabela 03 – Comparação entre propriedades do Diesel n
o
2 e o Biodiesel B100.
Fonte: U.S. Department of Energy, 2004
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
38
.
aplicação de motores veiculares (King, 2006). O de número 3 não é mais
refinado, segundo o autor.
As semelhanças entre o Biodiesel e o óleo diesel n
o
2 possibilitam que, em
alguns casos, o Biodiesel B100 possa ser utilizado em motores diesel
convencionais sem qualquer modificação no motor ou no sistema de injeção.
Nos EUA, o limite máximo de teor de enxofre permitido no diesel n
o
2 é
0,05%. Em 2006, o valor máximo regulado pela EPA (U.S. Environmental
Protection Agency) será de 15ppm para utilização automotiva. Como pode ser
visto pela tabela 03, o B100 (a maioria deles) já se enquadra nas novas regras
do EPA.
Outro aspecto que pode ser observado é que o Biodiesel possui 11% em
peso de oxigênio dissolvido e um número de cetano ligeiramente superior, o que
favorece uma queima mais completa, reduzindo as emissões (DOE, 2004).
2.3.2.2.2.
Especificação do Biodiesel B100 pela ASTM
Em Junho de 1994 foi formado um sub comitê na American Society for
Testing Materials – ASTM para desenvolver a especificação do Biodiesel, a qual
foi apresentada e aprovada preliminarmente em 1999. Em 2001 a versão final, D
6751, foi publicada (ASTM, 2002). O National Biodiesel Board (NBB, 2005)
considera esta publicação como sendo o marco mais importante no
desenvolvimento da indústria do Biodiesel.
Assim como as outras especificações de combustíveis na ASTM, a
especificação D 6751 é baseada nas propriedades físico químicas necessárias
para uma utilização segura e satisfatória.
Deve ficar claro que a especificação não é baseada no tipo de matéria
prima utilizada nem do processo de produção. A especificação ASTM D 6751-03
define o Biodiesel como sendo “...alquilésteres de ácidos graxos de cadeia
longa, derivados de óleos vegetais ou de gorduras animais, designado B100”
(ASTM, 2003) e deve se enquadrar dentro das propriedades da tabela abaixo:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
39
.
Propriedade Unidade Limite Método
Ponto de fulgor °C 130.0 min. D93
Água e particulados % vol. 0.050 max. D2709
Viscosidade cinemática, 40
o
C mm
2
/s
1.9 - 6.0 D445
Cinzas de sulfato % massa 0.020 max. D874
0.0015 max. (S15)
0.05 max. (S500)
Corrosão no cobre No. 3 max. D130
Número de cetano 47 min. D613
Ponto de turvamento °C Reportar ao consumidor D2500
Carbono residual % massa 0.050 max. D4530
Número de acidez mg KOH/g 0.80 max. D664
Glicerina livre % massa 0.020 max. D6584
Glicerina total % massa 0.240 max. D6584
Fosforo contido % max. 0.001 max. D4951
Temperatura de destilação, 90%
Recuperado (T90)
(2)
Teor de enxofre
(1)
% massa D5453
°C 360 max. D1160
Notas:
(1) Limitado em 15 ppm a partir de 2006
(2) Temperatura atmosférica equivalente
Seguem abaixo alguns comentários sobre as características listadas na
tabela 04:
a) Ponto de fulgor :
O ponto de fulgor de um combustível é a temperatura na qual dele se
desprendem vapores que, em contato com o oxigênio presente no ar, podem
entrar em combustão na presença de uma fonte de calor. O ponto de fulgor não
tem relação direta (Torres et al, 2005) no desempenho do combustível, mas um
valor mínimo deve ser estabelecido para garantir a segurança no
armazenamento e manuseio do produto.
O uso de um combustível com ponto de fulgor muito baixo pode provocar
problemas no pré-aquecimento, pois um volume excessivo de vapores pode
causar pré-ignição.
O ponto de fulgor do B100 é fixado acima do ponto do diesel n
o
2, para
garantir que o produtor tenha removido o metanol (caso o Biodiesel tenha sido
produzido por reação metílica) residual durante o processo de produção, ou seja
a determinação de seu valor permite detectar contaminações com produtos mais
leves. O metanol residual, que poderia ser eventualmente encontrado em um
Tabela 04 – Propriedades do Biodiesel pela norma ASTM D6751.
Fonte: ASTM, 2003
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
40
.
Biodiesel fora de especificação, poderia ser prejudicial à bomba de combustível
e aos selos, e também poderia contribuir para uma queima irregular.
b) Água e sedimentos:
A contaminação por água pode contribuir para a elevação da acidez do
Biodiesel, potencializando a corrosão não só nos tanques como também nos
equipamentos e linhas, além de igualmente potencializar a formação de
microorganismos.
Os particulados ou sedimentos podem levar ao bloqueio dos filtros dos
motores, reduzindo a sua vida útil, contribuindo para diminuição da potência. Os
sedimentos podem causar combustão não uniforme, pulsação da chama, etc.
c) Viscosidade :
A viscosidade é uma característica muito importante para os óleos
combustíveis, pois fornece informações sobre a facilidade de movimentá-lo e
transferi-lo nas instalações, na temperatura vigente, e também o grau de pré-
aquecimento a que o óleo deve ser submetido para obter-se uma temperatura
correta de atomização para uma combustão eficiente. Esta relação entre o
preaquecimento do combustível e a atomização correta é fundamental na
combustão em equipamentos industriais (Torres et al, 2005).
Uma viscosidade mínima é requerida por alguns motores por causa de
possibilidade de perda de potência no mesmo devido a eventuais vazamentos
em equipamentos como a bomba injetora e bicos injetores; ou mesmo se um
combustível é excessivamente fino e pouco viscoso pode acarretar em uma
quantidade excessiva de combustível sendo bombeada, causando combustão
incompleta (Torres et al, 2005), e conseqüentemente, elevando a quantidade de
emissões ambientais.
A viscosidade máxima é limitada pelo projeto do sistema de injeção do
motor. Combustíveis de alta viscosidade acarretam, por exemplo, uma
combustão pobre ocasionando formação de depósitos. O máximo valor permitido
pela ASTM D975, ou seja para o diesel n
o
2, é 4,1mm
2
/s (@40
0
C) embora muitos
motores sejam projetados para operar com combustíveis mais viscosos. O
Biodiesel, por ter viscosidade ligeiramente mais elevada do que o diesel, pode
proporcionar, a um motor projetado para este último, esforços adicionais não
desejados nos sistema de injeção, além de uma atomização inadequada o que
resultará em uma queda de performance do motor. Em resumo, se um
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
41
.
combustível for demasiadamente viscoso, podem ocorrer os seguintes
problemas:
• Dificuldade no bombeio do tanque para o motor;
• Quantidade insuficiente de combustível no motor;
• Atomização deficiente;
• Carbonização nos bicos e deposição nas paredes da câmara de
combustão;
Vale, neste ponto, relembrar que a especificação da ANP não estabelece
valores máximos ou mínimos para a viscosidade do Biodiesel. Sugere que os
valores sejam estabelecidos apenas para misturas de óleo Diesel/Biodiesel a
serem utilizadas e que deverá obedecer aos limites estabelecidos para o Diesel.
d) Cinzas sulfatadas:
De acordo com o U.S. Department of Energy (DOE, 2004), as cinzas são
basicamente constituídas de sais inorgânicos, como óxidos metálicos de sódio
ou potássio. Sua presença caracteriza resíduos do catalisador utilizado na
produção do Biodiesel e que não foram corretamente removidos durante a
purificação. A formação de cinzas pode contribuir para a formação de depósitos,
prejudicando a performance do motor.
Quando em proporções elevadas, as cinzas podem fundir e causar a
corrosão de alta temperatura nos metais.
e) Teor de enxofre:
A limitação do teor de enxofre nos combustíveis se justifica pelo controle
das emissões de óxidos de enxofre, que por sua vez estão relacionados com as
chamadas “chuvas ácidas”.
O enxofre está presente na maioria dos combustíveis, principalmente nos
derivados do petróleo. De acordo com Torres et al. (2005), os óxidos de enxofre
formados na combustão geralmente não causam problemas de corrosão,
contanto que todas as superfícies em contato com os gases de combustão
sejam mantidas a uma temperatura acima do ponto de orvalho do ácido
sulfúrico, evitando-se, assim, a condensação de ácidos corrosivos.
Na combustão, o enxofre se converte nos óxidos de enxofre (SO
2
e SO
3
).
Estes se combinam com vapor de água formando ácido sulfúrico que se
condensa sobre as superfícies metálicas que estejam a uma temperatura inferior
a do ponto de orvalho do ácido, causando corrosão em baixas temperaturas,
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
42
.
resultando em uma redução de eficiência térmica do motor e diminuição de sua
vida útil.
Em relação ao meio ambiente, o enxofre promove poluição atmosférica,
quando os óxidos de enxofre são emitidos para a atmosfera. Em muitos países,
a legislação vigente em relação ao teor de enxofre é rigorosa, o que obriga os
refinadores a empregarem técnicas especiais como a hidrodessulfurização.
Neste aspecto, Pahl (2005) explica que o Biodiesel, por não ser origem
mineral, além de ser livre de chumbo, contém teores insignificantes de enxofre e
aromáticos (benzeno, tolueno, etc).
f) Corrosão no cobre:
Este teste indica a compatibilidade do Biodiesel com componentes de
sistemas de injeção fabricados em cobre ou bronze. Os requerimentos deste
teste para o B100 são idênticos ao diesel.
g) Número de cetano:
Um número de cetano adequado é requerido para uma boa performance
do motor, isto é, garante boas características para partir a frio e minimizar
formação de fumaça branca. O número de cetanos limitado pelo ASTM para o
B100 é 47 (DOE, 2004), que equivale ao valor para o “Diesel Premium” nos
Estados Unidos.
h) Ponto de Névoa:
O ponto de névoa é a temperatura na qual se pode observar visualmente o
primeiro cristal em uma amostra de combustível quando ela é resfriada sob
condições definidas pela especificação ASTM D2500. Esta, segundo o U.S.
Department of Energy (2004), é a medida da propriedade mais conservadora em
relação às propriedades para utilização do combustível em climas frios. A
maioria dos combustíveis podem ser utilizados, sem grandes problemas, a
temperaturas abaixo da temperatura de névoa mas acima da temperatura de
entupimento de filtro – CFPP. A CFPP é a temperatura na qual a aglomeração
de cristais é tão grande que ocasiona o entupimento nos filtros. O ponto de
névoa para o B100 é tipicamente mais alto do que o do diesel convencional, o
que é importante para garantir o desempenho do motor a baixas temperaturas.
Alguns autores, (Torres et al, 2005) entre outros, consideram que a
propriedade que melhor descreve um combustível sendo utilizado a baixas
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
43
.
temperaturas é ainda inferior à CFPP. Este ponto é o chamado ponto de fluidez.
Outros autores (DOE, 2004) consideram que a determinação do ponto de fluidez
é de pequeno valor prático, uma vez que em uma instalação, caso ocorresse um
entupimento de filtro pelos cristais do combustível, ainda não se teria chegado
no ponto de fluidez do combustível.
As características acima são de maior importância para países de climas
mais rigorosos, o que não é o caso do Brasil, mesmo porque, ao se diluir o
Diesel com Biodiesel, formando uma mistura, que é o foco da utilização do
Biodiesel no Brasil, aquelas características estariam atenuadas. O Biodiesel
Handling and Use Guidelines (DOE, 2004) sugere os seguintes valores para
alguns B100:
Tabela 05 – Pontos de interesse para utilização de biodiesel em baixas
temperaturas.
Fonte: U.S. Department of Energy, 2004
Biodiesel de soja, rota
metílica
3 -2 -4
Biodiesel de colza
(canola), rota metílica
-3 -4 -4
Biodiesel
Ponto de Turvamento (
0
C) Ponto de Entupimento (
0
C) Ponto de Fluidez (
0
C)
A tabela 05 comprova que, dependendo da região onde for utilizado o
Biodiesel e da época do ano, deve-se tomar cuidados especiais no transporte e
na armazenagem.
i) Carbono residual:
O valor do carbono residual indica uma tendência de depósito de carbono
no combustível e uma aproximação da tendência de formação de depósitos a ser
formado no motor (Torres et. al, 2005).
j) Número de acidez:
O número de acidez é primariamente uma indicação de que o Biodiesel
está livre de ácidos provenientes da degradação natural de óleos e gorduras que
formaram o Biodiesel. O U.S Department of Energy (DOE, 2004) alerta que o
número de acidez alto indica que a produção do Biodiesel não foi feita de
maneira adequada ou que o produto final degradou por oxidação.
k) Glicerina total e livre:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
44
.
A remoção incompleta de glicerina na fase de produção do Biodiesel
aumentará o número de glicerina total e livre aumentando portanto
principalmente a viscosidade do Biodiesel. Se estes números forem altos,
poderão resultar em resíduos no tanque de armazenagem, no sistema de
combustível e no motor. Combustíveis que excedem os limites das normas são
mais propensos a causar entupimento nos filtros, entre outros problemas.
l) Fósforo contido:
O Biodiesel produzido nos EUA geralmente apresenta presença de fósforo
em níveis inferiores a 1ppm, embora este valor seja limitado a 10ppm. O fósforo
pode danificar elementos do catalisador.
m) Destilação T90:
Este parâmetro foi introduzido para garantir que o Biodiesel não esteja
contaminado com substâncias indesejadas (DOE, 2004).
2.3.2.2.3.
Biodiesel B2, B5 e B20 – Visão dos Estados Unidos
Misturar Biodiesel ao diesel derivado de petróleo tem por finalidade
minimizar as diferenças de propriedades entre estes combustíveis, integrando
benefícios de ambos, onde podem ser citados os benefícios ecológicos do
Biodiesel e econômicos e físicos do derivado mineral.
Segundo o U.S. Department of Energy (2004) a mistura mais popular nos
países desenvolvidos é a B20, por representar um bom compromisso entre
custo, emissões, propriedades físicas para baixas temperaturas e
compatibilidade de materiais.
A mistura B20 não causa grandes problemas em relação a entupimento de
filtros e formação de depósitos provenientes de combustão irregular ou
dissolvidos pelo Biodiesel, que por ventura poderiam estar depositados no
tanque de estocagem.
Para o B20 e misturas em menores concentrações, ficam minimizados os
aspectos negativos associados à compatibilidade de materiais.
A experiência de mais de 10 anos de utilização de B20 nos Estados
Unidos, indicam compatibilidade como todos os componentes de um motor
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
45
.
Diesel, inclusive com aqueles não compatíveis com misturas com alta
concentração de Biodiesel ou mesmo o B100 (DOE, 2004).
Comparando com o Biodiesel puro (B100), o B20 possui maior
estabilidade, o que resulta numa maior vida de estocagem. A especificação
ASTM D4625 sugere que a maioria dos tipos de Biodiesel B20 possa ser
estocado por um período de 8 a 12 meses. Porém, o National Biodiesel Board
recomenda que o B20 deva ser utilizado dentro de 6 meses a partir da sua
produção. Vale lembrar que alguns fornecedores de óleo diesel nos EUA
recomendam que o derivado do petróleo deva ser utilizado em um período não
superior a 4 meses (DOE, 2004). Mesmo evidenciando que a estabilidade do
B20 é comparável a do Diesel, o uso de antioxidantes e aditivos no biodiesel é
recomendado quando este for ser estocado por longos períodos.
Como foi visto anteriormente, uma das maiores preocupações na esfera
tecnológica é quanto ao uso do combustível em climas frios. Diluindo-se o
Biodiesel no Diesel mineral minimiza-se este efeito negativo além de possibilitar
uma ação mais efetiva dos aditivos que por ventura foram adicionados na
mistura, devido à considerável presença de Diesel na mistura.
A Universidade de Minessota (University of Minnesota Center for Diesel
Research) testou Biodiesel B20 de soja produzido a partir de diversos
fornecedores de Diesel disponíveis na região. O resultado foi publicado pelo U.S
Department of Energy (DOE, 2004). Os gráficos abaixo mostram o
comportamento das propriedades relevantes (ponto de névoa, ponto de
entupimento e ponto de fluidez) para regiões de baixas temperaturas e como
elas variam muito também fixando o Biodiesel e modificando o derivado do
petróleo.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
46
.
Temperatura (
0
F)
Temperatura (
0
F)
Temperatura (
0
F)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
47
.
Temperatura (
0
F)
Temperatura (
0
F)
Temperatura (
0
F)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
48
.
O ponto de névoa (Cloud Point), como já foi descrito, é a temperatura na
qual se pode observar o primeiro cristal em uma amostra de combustível quando
ela é resfriada. O Pour Point é a temperatura que na qual existem aglomerados
de cristais em tal quantidade que o fluido pode ser considerado um gel e por isso
não mais vai escoar como líquido Newtoniano. O CFPP (Cold Filter Plug Point)
é a temperatura na qual os cristais se aglomeraram em quantidade suficiente
para causar entupimento no filtro de teste.
Em relação às emissões provenientes da queima de uma mistura de
Biodiesel, pode ser visto, pelo gráfico abaixo, que emissões de NO
x
crescem
lentamente com o aumento na concentração de Biodiesel na mistura, enquanto
que as emissões de CO, HC e material particulado (PM) diminuem
consideravelmente com este aumento na concentração de Biodiesel.
Figura 10: Variação nas emissões de poluentes para diferentes concentrações de Biodiesel.
Fonte: U.S. Department of Energy, 2004
Figura 09: Variação do ponto de névoa (cloud point), do ponto de entupimento (C.F.P.P.) e do
ponto de fuidez (pour point) para diferentes concentrações de Biodiesel.
Fonte: U.S. Department of Energy, 2004
% Biodiesel
Mudança percentual nas emissões
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
49
.
2.3.2.3.
Mistura Para Formação dos Blends
Até recentemente, nos EUA, os volumes de misturas utilizados não eram
grandes o suficiente para que se viabilizasse economicamente a utilização da
infra-estrutura dos distribuidores de derivados de petróleo. Grande parte do B20
utilizado era misturada pelo usuário após recebimento do B100 de um
fornecedor. Com o aumento da demanda de B20, os consumidores passaram a
receber a mistura já preparada por empresas convencionais do ramo de
derivados de petróleo. Com isto, estes últimos ficaram responsáveis por receber
e estocar o B100, fazer a mistura com o diesel e então fornecer o blend ao
consumidor final.
Assim como nos EUA, outros paises desenvolvidos, onde o programa de
Biodiesel está em um estado mais avançado, os usuários podem adquirir
Biodiesel B20 e outras misturas de menores teores diretamente de
distribuidores. Desta forma garantem que a mistura foi corretamente misturado,
estocado e transportado.
Fazer a mistura independentemente ou comprá-la já pronta depende de
vários fatores, entre os quais podem ser citados: o volume necessário de B100
para se fazer a mistura, o teor final do Biodiesel desejado, disponibilidade dos
equipamentos necessários, espaço disponível para produção, além dos custos
operacionais da produção da mistura.
Misturas de Biodiesel podem ser produzidas de diferentes maneiras. O
U.S. Department of Energy (2004) cita as mais populares:
a) Spash Blending:
É a operação onde tanto o Biodiesel quanto o Diesel são carregados
separadamente no tanque que será utilizado para transporte do blend. A relativa
mistura dos elementos somado com o movimento do caminhão ou trem já é o
suficiente uma mistura dos componentes; vale lembrar que, quando o transporte
ocorre a temperaturas relativamente baixas, esta agitação somente pode não ser
suficiente para uma boa mistura.
b) In-tank Blending:
É uma operação semelhante à acima descrita, sendo que nesta a vazão de
enchimento do reservatório é alta, gerando certa turbulência e garantindo que
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
50
.
eles sejam misturados de maneira satisfatória já no enchimento, sem a
necessidade de misturadores eletromecânicos, recirculação ou mesmo de contar
com a agitação do transporte (spash blending).
c) In-line Blending:
É a operação na qual o Biodiesel é adicionado diretamente à linha de
distribuição de Diesel. O escoamento turbulento garante a boa mistura dos
componentes da mistura.
Esta operação é semelhante à operação de adição de aditivos nos
derivados de petróleo nos dias de hoje.
Por esta operação exigir investimentos em equipamentos para o sistema
de injeção, não é utilizada por pequenos usuários, apesar de ser a operação
mais eficiente de todas.
Como pode ser visto dos itens (a), (b) e (c), acima, não é difícil de preparar
a mistura. O que deve ser levado em consideração, segundo o U.S. Department
of Energy (DOE, 2004), é que o Biodiesel, por ser mais pesado do que o Diesel
se, no ato do enchimento, for transferido primeiro para o tanque, seguido o
Diesel, a mistura pode não resultar de maneira satisfatória.
E uma vez que a mistura não tenha sido feita corretamente e por ser o
Biodiesel mais pesado, este vai permanecer no fundo do tanque. Como as
bombas de transferência succionam desta seção do tanque, o produto
bombeado terá uma concentração de Biodiesel acima da desejado.
Adicionalmente considerando que o Biodiesel é um ótimo solvente, se no
fundo do tanque ocorrer esta alta concentração de Biodiesel e no tanque
existirem sedimentos depositados, estes serão dissolvidos e carregados no
bombeamento em direção aos filtros, eventualmente entupindo-os. Para se evitar
tais transtornos, basta ter em mente que quanto mais agitada sua entrada no
tanque melhor será a mistura. Caso contrário, deve-se dispor de agitadores
mecânicos no tanque
2.3.3.
Processo de produção
Quatro métodos têm sido estudados e praticados para se utilizar óleos
vegetais em motores ciclo diesel, sem grandes modificações nestes:
a) Mistura com Diesel;
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
51
.
b) Craqueamento térmico, também conhecido como pirólise;
c) Microemulsificação;
d) Transesterificação;
A transesterificação é de longe o método mais utilizado (Knothe et al, 2005)
e somente este processo produz o que é conhecido como Biodiesel, i.e., um
mono-alquilésteres de ácidos graxos de cadeia longa, e por isso será o único
descrito neste trabalho.
A transesterificação, também chamada de alcóolise, é a troca de um álcool
de um éster por um outro álcool na presença de um catalisador
Os álcoois que podem ser utilizados são o metanol, etanol, propanol,
butanol ou álcool amílico. O mais comum é a utilização da rota metílica, uma vez
que o metanol é o álcool mais barato na maioria dos países, com poucas
exceções, como no Brasil, que possui forte tradição de produção do etanol .
A reação de transesterificação pode ser catalisada por álcalis, ácidos ou
enzimas, e é o processo utilizado pelos Estados Unidos e Europa para produzir
Biodiesel. Esta reação também é utilizada na produção de ésteres metílicos para
aplicações na indústria de cosméticos e detergentes.
2.3.3.1.
Parâmetros para a reação de transesterificação
Os parâmetros mais relevantes para a reação de transesterificação são:
a) Concentração de ácidos graxos livres no óleo:
É fator importante na reação quando ela for catalisada por NaOH, pois será
maior seu requerimento para neutralização. O conteúdo de água nos reagentes
deve ser baixo, pois podem ser formados sabões no processo, o que aumenta a
viscosidade final do produto e dificulta a separação final do glicerol (Macedo e
Macedo, 2004).
b) Efeito da reação molar:
Este fator está associado ao tipo de catalisador utilizado, por exemplo, na
catálise ácida de butanol com óleo de soja necessita-se de uma relação de 30:1,
enquanto que na catálise alcalina a relação é de 6:1 para se atingir a mesma
taxa de produção (Macedo e Macedo, 2004).
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
52
.
A reação estequiométrica de transesterificação requer 3 moles de álcool
por mol de triglicerídeos, para render 3 moles de éster e um mol de glicerol. A
reação abaixo, apresentada por Macedo e Macedo (2004), é a equação geral da
transesterificação de triglicerídeos com álcool, onde R1, R2, R3, R’ representam
os grupos de alquila.
Estudos mostram que alta relação molar resulta em maior obtenção de
ésteres em menor tempo de uma reação, sendo porém liberada maior
quantidade de glicerol (Macedo e Macedo, 2004). Óleos de soja, girassol,
amendoim, algodão e palma, por exemplo, apresentam maiores taxas de
conversão com o aumento da reação molar entre o triglicerídeos e o álcool. Em
processos industriais, para se obter éster metílicos com taxas de 98% de
conversão a relação molar de 6:1 é geralmente a mais usada (Macedo e
Macedo, 2004).
c) Tipos de catalisadores:
Os tipos de catalisadores possíveis são os ácidos (H
2
SO
4
, HCl, derivados
de H
2
PO
4
) alcalinos (KOH, NaOH) ou enzimas (lipases).
As reações mais rápidas são as que utilizam catalisadoras alcalinas,
aproximadamente 4000 vezes mais rápidas e por isso as mais empregadas
comercialmente. Macedo e Macedo (2004) citam que foi observado que, embora
a catálise alcalina resulte em altas taxas de conversão quando se trata de curtos
tempos de reação, este processo apresenta alguns inconvenientes, como, por
exemplo, apresentar altos gastos energéticos, necessidade de se tratar à água
alcalina residual, remover o catalisador, recuperar de maneira difícil e demorada
o glicerol entre outros.
Éster de ácido
graxo
+
3R’OH
Álcool
Catalizador
CH2-OOC-R1
CH-OOC-R2
CH2-OOC-R3
Triglicerídio
+
R1-COO-R’
R2-COO-R’
R3-COO-R’
CH2-OH
CH-OH
CH2-OH
Glicerol
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
53
.
As reações que utilizam catalisadores ácidos são indicadas quando o óleo
possui alto teor de água ou ácido graxo livre, conforme descrito no item (a) desta
relação de parâmetros.
Estudos para se empregar catalisadores enzimáticos começaram a ser
publicados na década de 90. Esta tecnologia tem demonstrado grande potencial
na transesterificação de óleos vegetais. Segundo Macedo e Macedo (2004), as
reações utilizando catalisadores enzimáticos podem utilizar vários tipos de
álcoois e têm apresentado altas taxas de conversão e evidentes vantagens
ambientais como menor gasto energético, mais fácil recuperação dos produtos e
menor quantidade de glicerol como subproduto. Frente a estas vantagens,
justificam-se investimentos em pesquisa e desenvolvimento para esta tecnologia
para ser implantada no Brasil.
2.3.4.
Principais Matérias Primas para Produção de Biodiesel
Embora existam diversas matérias primas capazes de produzir o Biodiesel,
a partir tanto dos óleos vegetais quanto das gorduras animais e dos resíduos de
fritura, a experiência internacional na produção de Biodiesel é concentrada no
uso de óleo de canola, girassol e soja (Pahl, 2005). Verifica-se, porém,
principalmente na Áustria e nos Estados Unidos, uma forte iniciativa em usar
óleo residual de fritura (Costa, 2005).
A figura abaixo mostra a distribuição da utilização de óleos vegetais para
se transformar em Biodiesel no nível mundial:
Figura 12: Distribuição da utilização de óleos vegetais para se transformar em Biodiesel.
Fonte: Biodiesel, Growing a New Energy Economy, Pahl, 2005
Matéria Prima para Produção de
Biodiesel
Canola 84% Girassol 13% Soja 1%
Palmáceas 1% Outros 1%
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
54
.
Na Europa, a produção de Biodiesel é originada principalmente da colza,
que é uma couve comestível e é conhecida também pelo nome de canola ou
rapessed. Pahl (2005) cita que a canola representa aproximadamente 84% das
matérias primas para a produção de Biodiesel, embora sua produtividade de óleo
por hectare plantado (1.190 litros por hectare) fique atrás de outras fontes como
o côco (2.689 litros por hectare) e as palmáceas (5.950 litros por hectare).
As palmáceas, onde se enquadra o óleo de dendê, aparecem no topo da
lista de produtividade por área plantada embora outros fatores inibam
investimentos nesta matéria prima, como o tempo de maturação da planta, e o
alto valor do ponto de névoa, o que torna o Biodiesel desta matéria prima não
atraente para paises de clima frio (Pahl, 2005).
2.3.4.1.
Principais Matérias Primas para Produção de Biodiesel no Brasil
Para a escolha da matéria prima para se produzir o Biodiesel, deve se levar
em conta diversos fatores como, por exemplo, a aptidão regional ao cultivo. De
uma forma geral, a EMBRAPA (Peres, 2003) tem sugerido a soja para as regiões
Sul, Sudeste e Centro-Oeste, a mamona para o Nordeste e o dendê para a
região Amazônica, embora não sejam desconsideradas outras fontes de matéria
prima para produção de Biodiesel com o girassol, o amendoim e até mesmo o
abacate.
Há correntes que são contra o uso de óleos alimentícios, como óleo de soja
ou o óleo de dendê, para a produção de combustível. No Brasil, a produção de
Biodiesel proveniente de óleo de mamona não sofreria estas críticas.
2.3.4.1.1.
Mamona
A mamona tem sido cultivada na região nordeste, principalmente na Bahia,
que segundo o NAE (2005), é responsável por 60% da produção regional.
Pesquisas agronômicas do EMBRAPA têm demonstrado que,
conservadoramente, o rendimento da mamona é estimado entre 500 e 1000 kg
de óleo por hectare plantado. A produção de óleo de mamona atualmente no
Brasil é de aproximadamente 50 mil t/ano, considerando um teor de óleo de
48%; como mostra a figura 12:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
55
.
Figura 12: Produção anual de mamona no Brasil.
Fonte: Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República (NAE), 2005.
É fato que a mamona tem sido indicada como uma das poucas opções
agrícolas rentáveis para as regiões árido e semi-árido do Nordeste. Não se pode
deixar de destacar que a produção de óleo de mamona advém primariamente de
pequenos produtores, com até 15 ha de área plantada, mas que, para se atender
a um programa agressivo de produção de Biodiesel, as escalas de produção
deverão ser muito maiores.
2.3.4.1.2.
Soja
O cultivo da soja no Brasil, de acordo com dados da EMBRAPA (NAE,
2005), ocupa uma área de mais de 20 Mha e cerca de 70% da produção é
destinada à exportação. Em 2003 foram produzidos 5,4 Mt de óleo de soja,
devido à produtividade de 2,8 t/ha e ao teor de óleo situar-se entre 18 e 20% do
peso dos grãos.
2.3.4.1.3.
Dendê
A produção de óleo de dendê no mundo cresce em ritmo muito acelerado.
Estima-se que, pela tendência atual, a produção deste óleo ultrapasse a
produção de óleo de soja no final da década.
O Brasil é freqüentemente citado como possuidor do maior potencial de
áreas com aptidão do mundo para o plantio do dendê, embora hoje produza
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
56
.
apenas 0,5% do total mundial, algo em torno de 0,1 Mt de óleo (NAE, 2005),
enquanto que a Malásia ocupa a primeira posição no ranking, com 11,2 Mt de
óleo produzido anualmente.
2.3.5.
Aspectos tecnológicos sobre a substituição de Diesel por
Biodiesel
Atualmente não existem grandes barreiras tecnológicas para se substituir o
Diesel mineral pelo Biodiesel. Os maiores impedimentos estão relacionados a
aspectos mais financeiros do que tecnológicos (GTI, 2003).
A MAN B&W executou diversos testes em motores para comparar o
comportamento dos mesmos operando com combustíveis tradicionais e com
biocombustíveis, entre eles Biodiesel. A partir dos resultados dos testes,
realizados desde 1994 até 2004, Carranca (2005) pode concluir que motores de
média velocidade são os mais indicados para se utilizar biocombustíveis. Os
testes também mostraram que não ocorreram mudanças significativas na
performance dos motores, assim como nas emissões dos principais poluentes, a
exceção do NO
x
. O trabalho, apresentado pela MAN B&W, cita que testes para
motores de menor porte, os chamados Diesel rápidos, apresentam problemas
quando utilizam Biodiesel a concentrações superiores a 5%. Tais problemas,
como perda de potência, vazamento, corrosão, entupimento, formação de
depósitos e etc, estão relacionados às dificuldades que se tem para manuseio,
transporte e estocagem de tais biocombustíveis, maior viscosidade e menor
poder calorífico.
Este último aspecto é extremamente importante, principalmente quando da
utilização em plantas de geração de energia elétrica. Segundo Carranca (2005),
o consumo em um grupo moto-gerador de 1MW de potência utilizando Biodiesel,
pode chegar a 2.000 toneladas anuais.
Generalizando, os biocombustíveis podem ser estocados e transportados
de uma maneira similar a combustíveis convencionais e são particularmente
seguros para manuseio, pois são estáveis, não tóxicos e possuem pontos de
fulgor relativamente altos (DOE, 2004). A substituição do Diesel pelo Biodiesel
B100, do ponto de vista dos aspectos tecnológicos, deve ser feita com alguns
cuidados, a saber:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
57
.
a) O B100, por ser um bom solvente, pode dissolver particulados
depositados no tanque de combustível e no sistema de alimentação de
combustível, carregando-os para a câmara de combustão.
b) A maioria dos B100 começa a atingir o ponto de névoa a
temperaturas frias não severas. Devem, portanto, ser previstas linhas de
alimentação e/ou tanque providos de dispositivo de aquecimento mesmo para
países de clima moderado. Acredita-se que, atualmente, nos países de clima
frio, esta questão seja a mais importante barreira tecnológica para se utilizar o
Biodiesel.
À temperatura próxima do ponto de névoa, serão formados cristais que se
depositarão no fundo do tanque formando um gel. Tanques de armazenamento
providos de agitadores mecânicos podem ser bastante úteis, pois a agitação no
combustível ajudará a dissolver novamente os cristais na solução. O U.S.
Department of Energy (DOE, 2004) cita que alguns fabricantes de aditivos
mostram que, adicionando aditivos ao Biodiesel, a temperatura de névoa é
reduzida em até 12
0
C para altas dosagens de aditivos (10.000ppm), e em até
3
0
C, para dosagens menos severas (1.000ppm).
c) O Biodiesel B100 não é compatível com alguns tipos de borrachas
(buna N, borracha natural, etc), normalmente utilizadas em algumas mangueiras
e gaxetas. Isto pode causar degradação de componentes em um motor,
vazamentos, danos à bomba de combustível, entupimentos dos filtros etc.
Existem no mercado motores totalmente resistentes ao Biodiesel. A Wärtsila do
Brasil, por exemplo, está autorizada a comercializar todos os seus moto-
geradores utilizando Biodiesel B100. O mesmo fornecedor já conta, em seu
track-record,com mais de 164MW instalados na Europa a partir da utilização de
B100.
d) O U.S. Department of Energy (DOE, 2004) alerta que o Biodiesel
B100 não é compatível com alguns metais e plásticos. Os metais incompatíveis
são cobre (e suas ligas como bronze), chumbo, estanho e zinco. Normalmente
motores diesel não contém estes metais mas, no caso de ocorrer, o Biodiesel em
contato por longo período com estes materiais pode formar sedimentos que
entupirão filtros, entre outros problemas. O Biodiesel também não é compatível
com alguns tipos de plástico como polietileno e polipropileno, o que atinge e
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
58
.
restringe principalmente os recipientes de estocagem e transporte de pequenas
quantidades de combustível.
2.3.6.
Aspectos sobre transporte e estocagem
O Biodiesel pode utilizar os mesmos recursos de transporte e estocagem
utilizados para o Diesel. Deve-se tomar cuidado, no entanto, com a
incompatibilidade do Biodiesel com alguns equipamentos ou acessórios de
borracha ou plástico (i.e borrachas de vedação, mangueiras, etc) conforme já
descrito.
Quanto à logística de suprimento de Biodiesel, devem ser levadas em
consideração as distâncias entre as áreas de plantio, de produção do óleo, de
produção do Biodiesel, de mistura com o Diesel e os centros de consumo. Para
um país com as dimensões do Brasil, a minimização dos custos de transporte se
torna fundamental e inclusive deve-se realizar estudos de avaliação da frota de
caminhões-tanque disponíveis no mercado.
É de comum entendimento que a mistura do Biodiesel no Diesel deva ser
feita pelas distribuidoras de combustíveis, assim como acontece no caso da
adição de álcool anidro à gasolina. Fica evidente que, neste caso, minimizando
os agentes autorizados a realizar a mistura, menores são as chances de fraude,
mas, por outro lado, maiores os custos de transporte. O GTI (2003) destaca que
o mercado de combustíveis já dispõe de uma infra-estrutura de logística para o
suprimento de combustíveis que é capaz de atender à implementação de um
programa de uso de Biodiesel. No entanto, sugere que, sobre o aspecto de
estocagem, deva ser avaliada a necessidade de ampliação do parque de
tancagem das distribuidoras de combustível, assim como a adequação das
instalações para esta nova atividade.
Com base na minimização dos agentes envolvidos a fim de favorecer o
controle da qualidade e o controle tributário, o Programa de Engenharia de
Transportes da COPPE (Ribeiro et al, 2004) sugere um modelo de
comercialização do Biodiesel, sintetizado na figura 3:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
59
.
Figura 13: Modelo proposto de comercialização do Biodiesel.
Fonte: Ribeiro et al (2004)
No estudo é sugerido, por uma questão logística, que as plantas de
produção de Biodiesel sejam instaladas o mais próximo possível das refinarias,
ou das grandes bases de distribuição de Diesel (Ribeiro et al, 2004). O modelo
sugerido buscou conciliar a experiência internacional de comercialização de
Biodiesel e a experiência nacional na comercialização do etanol. Os autores
acreditam que o modelo deva ser capaz de contemplar uma grande variedade de
matérias-primas e ainda garantir a qualidade final do produto comercializado. Por
esta razão o modelo é baseado na cadeia de comercialização de pequena
flexibilidade (Ribeiro et al, 2004), ou seja, minimizando o número de transações
entre os agentes da cadeia de comercialização.
2.4.
Aspectos Econômicos sobre o Biodiesel
Na Europa e nos Estados Unidos o custo do Biodiesel é, hoje, de uma e
meia a três vezes maior do que o diesel mineral (GTI, 2003) e não há previsão
de reduções importantes desse custo no futuro próximo.
A utilização do Biodiesel deve, portanto, ser justificada por outros aspectos
positivos tais como menor impacto ao meio ambiente, geração de emprego,
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
60
.
desenvolvimento sustentável, diminuição da dependência de derivados de
petróleo entre, outros.
O NAE (2005) relata que a mamona parece ser um caso de difícil
viabilização comercial para fins de Biodiesel, uma vez que o óleo de mamona
tem alto valor de mercado, com ganhos bem superiores aos da produção de
Biodiesel. Além do mais, a alta viscosidade o Biodiesel proveniente desta
matéria prima poderia inibir a exportação do produto.
Simulações feitas pelo Ministério do Desenvolvimento, Indústria e
Comércio Exterior – MDIC (GTI, 2003) permitem obter estimativas preliminares
dos custos de produção de Biodiesel, derivado de diversas matérias primas. Tais
simulações levaram em consideração os valores referentes ao custo da
produção do óleo vegetal, o transesterificação do óleo vegetal, a receita dos
derivados (farelo, tortas e glicerina gerados nos processos) e a tributação
incidente.
O resultado do estudo do MDIC (ver apêndice E) conclui que o Biodiesel
tornar-se-ia muito atrativo para o consumidor final caso o produto sofresse
isenção tributária, o que, por parte da União e pelos Estados, resultaria numa
perda de arrecadação.
Estudos de viabilidade técnico-econômica devem ser realizados
exaustivamente, para acompanhar a evolução tecnológica dos processos de
produção, dos preços praticados no mercado das matérias primas, (que tendem
a cair com o aumento de oferta) das receitas geradas pela venda dos derivados,
e assim por diante. Além do mais, devem-se levar em conta os custos do
transporte das matérias primas das respectivas fontes produtoras ao local de
produção do Biodiesel, o transporte deste ao agente que irá preparar as misturas
(distribuidor) e deste ao consumidor final. Isto porque, devido às grandes
dimensões do país, estes valores serão certamente relevantes.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
61
.
2.4.1.
Financiamento
Recentemente o BNDES lançou o “Programa de Apoio Financeiro a
Investimentos em Biodiesel” (BNDES, 2006), com o objetivo de apoiar
investimentos na produção de Biodiesel. O programa atende a todas as fases da
produção, i.e. desde a sua fase agrícola, de produção de óleo bruto, de
produção de Biodiesel. Atende, também a assuntos ligados a armazenamento,
logística e aquisição de equipamentos para a produção de Biodiesel.
O programa estabelece condições mais favoráveis a projetos que possuam
o chamado “Selo Combustível Social”, a ser outorgado pelo Ministério do
Desenvolvimento Agrário-MDA aos projetos que promovam a inclusão social de
agricultores familiares.
A participação do Banco nestes projetos é de até 90% dos itens passíveis
de apoio, para projetos com “Selo Combustível Social”; e de até 80% (oitenta por
cento) dos itens passíveis de apoio, para projetos sem selo. Adicionalmente, foi
reduzida a exigência de garantias reais para 100% do valor do financiamento,
em vez dos usuais 130%; e são praticadas menores taxas de juros.
2.4.2.
Aspectos de mercado
O Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República (NAE,
2005) explica que o mercado potencial para o Biodiesel é determinado pelo
mercado do derivado mineral. Conceitualmente, o Biodiesel pode substituir o
diesel em qualquer uma das suas aplicações. No entanto, a inserção deste
combustível na matriz energética brasileira deverá ocorrer de forma gradual e
focada em mercados específicos, que garantam a irreversibilidade do processo.
A utilização do Biodiesel pode ser dividida em dois mercados distintos
(NAE, 2005), a saber: mercado automotivo e usos estacionários.
O mercado de estações estacionárias caracteriza-se basicamente por
instalações de geração de energia elétrica, e representam casos específicos e
regionalizados. Tipicamente, pode-se considerar a geração de energia nas
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
62
.
regiões remotas do país as quais, em termos dos volumes envolvidos, não é
significativa, mas pode representar reduções significativas com os custos de
transporte e, principalmente, a inclusão social destas comunidades.
Outros nichos de mercado para a utilização do Biodiesel para geração de
energia podem ser encontrados na pequena indústria e no comércio, como
forma de redução do consumo de energia no horário de ponta, aliado aos
aspectos de propaganda e marketing.
O mercado automotivo abrange o transporte urbano, de prestação de
serviços municipais, transporte ferroviário, hidroviário e o consumidor do varejo,
representado pela compra do combustível nos postos de revenda tradicionais, i.e
empresas de transportes interestaduais de cargas e passageiros, veículos leves
e consumidores em geral.
Neste cenário, e de acordo com dados da ANP (ANP, 2006), o mercado
total de diesel do Brasil, por região, é representado pelos números da tabela
abaixo:
Deste montante, aproximadamente 37.000 mil m
3
de óleo Diesel foram
importados, aproximadamente 16,3%, algo em torno de 6.400 mil m
3
o que
equivale a um gasto de US$ 1,2 bilhão (NAE, 2005). Como exemplo, a utilização
de Biodiesel B2 abriria um mercado de aproximadamente 800.000 m
3
de
Biodiesel, enquanto que, para a utilização de B5, demandaria, um total de
aproximadamente 2 MM m
3
.
O aproveitamento destes nichos de mercado e a possível redução de
custos agrícolas pela substituição total ou parcial do diesel pelo Biodiesel são
benefícios potenciais da utilização desse combustível renovável. Especialmente
nas regiões Norte e Centro-Oeste, onde as distâncias e a carência de infra-
estrutura de transporte elevam os custos de distribuição do diesel, conferindo
vantagem ao combustível produzido localmente.
Região Consumo de Diesel (mil m
3
)
Sudeste 16737
Sul 7743
Centro-Oeste 4498
Nordeste 5618
Norte 3019
Tabela 06 - Consumo de óleo Diesel no Brasil em 2004.
Fonte: ANP (2006)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
63
.
2.5.
Aspectos Sociais do Biodiesel
É fato que o processo de produção do Biodiesel estimulará a agricultura
nacional, que terá de ampliar sua capacidade para atender à demanda
esperada.
Com a criação o “Selo Combustível Social”, o assentamento de famílias no
campo será estimulado e com isso é esperada uma grande geração de
empregos em áreas isoladas como nas regiões Norte e Nordeste.
Os principais benefícios relacionados aos aspectos sociais resultantes da
utilização do Biodiesel no Brasil, relacionam-se com a geração de emprego e
renda, além de inclusão social de populações menos favorecidas que se
beneficiariam do uso do Biodiesel para geração de energia elétrica. Desta forma
o Biodiesel pode ser um instrumento adicional para se alcançar os objetivos do
Programa “Luz para Todos”.
No que diz respeito à criação de empregos rurais, o GTI (2003) sugere,
como regra comparativa e dependendo da cultura e tecnologia utilizada, que
para cada 100 hectares de terras plantadas é necessário um trabalhador,
enquanto que para agricultura familiar seriam necessários 10 trabalhadores. Por
esta razão a propaganda do programa nacional do Biodiesel é pautada na
inclusão social.
Nesta linha de ação, diversas empresas estão fazendo estudos de
viabilidade de usinas produtoras de Biodiesel sustentadas por pequenos
produtores rurais. Entre as empresas pode ser citada a Petrobrás, que iniciou,
em abril de 2005, um estudo de viabilidade para investir MR$15 em unidade de
produção de Biodiesel no interior do Paraná (O GLOBO, 2005). O estudo vai
levantar a capacidade dos pequenos produtores rurais da região de abastecer a
usina, cuja capacidade de produção deverá ser de 40 mil toneladas por ano.
Outro objetivo do estudo é avaliar qual oleaginosa será mais viável para
sustentar o fornecimento para a Empresa. Entre as possibilidades de produção
estão o nabo forrageiro, o amendoim e o girassol. De acordo com o artigo, o
Projeto poderá abranger um universo de 50 mil produtores no Paraná e norte de
Santa Catarina.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
64
.
2.5.1.
Geração de emprego e agricultura familiar
De acordo com o relatório final do Grupo de Trabalho Interministerial (GTI,
2003) “...os estudos conjuntos desenvolvidos pelos Ministérios do
Desenvolvimento Agrário (MDA), da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
(MAPA), da Integração Nacional (MI) e das Cidades (MCidades) permitem
simular que, a cada 1% de participação da agricultura familiar no mercado de
Biodiesel no País, na hipótese de utilização de um percentual de mistura de 5%
(B5) de Biodiesel no óleo diesel em todo território nacional, seria possível gerar
cerca de 45 mil empregos no campo...”.
Levando-se em conta que, para cada um destes 45 mil empregos rurais,
dentro das hipóteses acima, pode-se gerar 3 empregos urbanos, ou seja 130 mil,
totalizar-se-iam 180 mil empregos diretos e indiretos para o mercado do B5.
Se a participação da agricultura familiar fosse aumentada de 1% para 6%
no mercado do B5, a geração de emprego aumentaria para 270 mil empregos
rurais e 810 mil na indústria, comércio e distribuição, totalizando mais de 1
milhão de empregos. O mesmo relatório do GTI aponta, como efeito
comparativo, o fato que, se a mesma participação fosse integralmente
apropriada pelo agronegócio da soja, seriam gerados apenas cerca de 46 mil
postos de trabalho.
O GTI recomendou, em seu relatório, que as ações do Governo
direcionadas ao Biodiesel devam adotar a inclusão social e o desenvolvimento
regional, via geração de emprego e renda de pequenos produtores, ou seja a
produção e consumo devem ser promovidos de forma descentralizada. O Grupo
recomendou, também, que não se deva privilegiar rotas tecnológicas, matérias
primas e escalas de produção agrícola e agroindustrial, diante do amplo leque de
alternativas que se pode explorar, mas que as regiões Norte e Nordeste devam
receber tratamento diferenciado por serem regiões mais carentes e com amplas
potencialidades de inserção no mercado do Biodiesel.
2.6.
Aspectos Ambientais sobre o Biodiesel
Quando se avaliam os impactos ambientais da queima de um combustível
renovável, deve-se levar em conta todo o seu ciclo de vida desde a produção de
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
65
.
sementes, passando pela utilização de fertilizantes, plantio, colheita,
armazenamento, extração do óleo vegetal, transporte, consumo (emissões
devido à combustão) e ainda a decomposição dos resíduos que venham a ser
produzidos e a degradação do combustível que por um acaso não tenha sido
utilizado como tal (GTI, 2003).
Foge aos objetivos deste trabalho uma avaliação completa sobre os
aspectos ambientais do Biodiesel. Serão analisados dois pontos considerados
mais relevantes: (a) comparação e balanço das emissões resultantes da queima
do Biodiesel em relação ao diesel e (b) oportunidades do Protocolo de Kyoto
para o Biodiesel.
É importante lembrar, que por ser o Biodiesel um combustível renovável, o
cenário de referência em relação às emissões de gases de efeito estufa deve
avaliar a quantidade de gases emitidos e depois deduzir a quantidade capturada
na fotossíntese da biomassa que lhe serve de matéria prima (GTI, 2003).
As emissões de poluentes, provenientes da queima do Biodiesel, variam
basicamente em função da matéria prima utilizada para sua produção.
Comparativamente com o diesel e tomando-se por base o Biodiesel B100,
produzido do óleo de soja, seu uso reduz as emissões do monóxido de carbono
(CO) em 48%, de material particulado (MP) em 47%, do óxido de enxofre (SO
x
)
em praticamente 100% e dos hidrocarbonetos totais (HC) em 67% (GTI, 2003).
Em relação às emissões de óxido de nitrogênio (NO
x
), no entanto, verifica-
se um aumento. Recentes estudos da Environmental Protection Agency-EPA
(U.S. Department of Energy, 2004), concluíram que, devido a este incremento
de aproximadamente 10% de emissão de NO
x
, quando da utilização de
Biodiesel, realmente pode-se inibir a comercialização em áreas onde o efeito
deste incremento de emissões ultrapasse requisitos ambientais. Entretanto, este
fator não deve ser encarado como um impedimento geral de seu uso, devido,
principalmente, às grandes vantagens em relação aos outros poluentes e pelos
grandes esforços que se tem feitos para diminuir a emissão deste poluente. A
questão do óxido de nitrogênio, por ser um aspecto negativo, será tratada com
mais detalhes no item 2.6.1 deste trabalho.
Em relação às misturas de Biodiesel, pode-se perceber também uma
redução nas emissões do monóxido de carbono, material particulado e
hidrocarbonetos totais, porém em menores proporções por causa da “diluição”
deste diesel. A comparação de emissões da queima de Biodiesel óleo de soja
com o diesel encontra-se na tabela abaixo:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
66
.
Com relação à valorização dos custos evitados da poluição pela
substituição do diesel pelo Biodiesel B100, o GTI (2004) fez um exercício de
estimativa de quanto o País poderia evitar gastar, contabilizando os custos
relacionados principalmente à saúde. As estimativas alcançaram um montante
de um pouco mais de MR$ 2,3 ao dia, totalizando aproximadamente MR$ 873 ao
ano. Para o B20 a redução dos gastos ligados à poluição, o montante seria de
MR$ 302,3 ao ano e para o B5 e B2, seria de MR$ 75,6 e MR$ 27,3 milhões de
reais ao ano.
2.6.1.
Aspectos em relação às emissões de Óxidos de Nitrogênio (NO
x
)
Como já foi dito, a composição do Biodiesel é um fator que afeta na
quantidade de poluentes emitidos na queima – ver figura 15. Considerando um
valor médio, pode-se verificar que o uso do Biodiesel B100 aumenta em
aproximadamente 10% as emissões de óxidos de nitrogênio (NO
x
) e algo entre 2
e 4% para o B20, o que não é elevado, mas deve ser considerado, pois é um
dos principais precursores do ozônio troposférico, atualmente o mais grave
problema de qualidade do ar na maior cidade brasileira, São Paulo (CETESB,
2003).
Poluente B100 B20 B5 B2
Monóxido de carbono (CO) -48% -12% -3% -1%
Hidrocarboneto (HC) -67% -20% -5% -2%
Material particulado (MP) -47% -12% -3% -1%
Óxidos de enxofre (NO
x
) +10% +2% +0,5% +0,2%
Tabela 07: Comparação de emissões da queima de Biodiesel
proveniente de óleo de soja, em relação a queima de óleo diesel
convencional.
Fonte: GTI (2004)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
67
.
O aumento das emissões de NO
x
, associado à utilização do Biodiesel, tem
sido confirmado por muitos estudos e, por ser um aspecto negativo à
implementação do mesmo na matriz energética nacional, deve ser o aspecto
principal a ser pesquisado, visando à redução de formação de NO
x
. As principais
linhas de ação são:
a) Utilização de catalisadores
[4]
;
b) Utilização de aditivos
[5]
;
c) Identificação da fonte ou propriedade;
d) Desenvolvimento de novos motores;
e) Modificação no tempo de ignição
[6]
;
[4] Nos veículos movidos a diesel, não se utilizam catalisadores de pós-combustão devido ao elevado teor de
enxofre e emissão de particulados deste combustível. Como o Biodiesel é virtualmente isento de enxofre e diminui
drasticamente as emissões de particulados, é possível a utilização de um catalisadores para veículos a Biodiesel,
porém estaria seu uso restrito ao biocombustível. A utilização de catalisadores é uma alternativa de simples
execução durante o processo de produção de novos motores estacionários ou em novos veículos, mas de uma
operação de extrema complexidade quando se trata de instalar em motores usados principalmente nos veículos
em circulação, com variado número de modelos e anos de uso (Biodiesel Handling and Use Guideline, 2004).
[5] Fabricantes de aditivos tem trabalhado nesta linha, embora testes com B100 tem mostrado que aditivos provém
poucos benefícios a altos custos (Biodiesel Handling and Use Guideline, 2004).
[6] Um pequeno retardo no tempo de ignição, algo em torno de 1
0
a 5
0
, pode trazer as emissões de NO
x
do
Biodiesel para níveis comparáveis ao diesel, ou ao menos reduzir a sua quantidade (Biodiesel Handling and Use
Guideline, 2004). A regulagem de motores usados é uma operação complexa, mas a idéia é que alterando o
tempo de ignição, modificam-se as condições de temperatura e pressão e com isso ocorre menor formação de
NO
x
.
Figura 15: Comparação entre emissões de Biodiesel produzido por diferentes matérias-
primas.
Legenda:
• Lard = Banha de porco;
• Edible Tallow = Sebo comestível;
• Inedible Tallow = Sebo não comestível;
• Yellow Grease = Gordura
• Soy = Soja
Fonte: Biodiesel Handling and Use Guideline, 2004
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
68
.
Oliveira (2004) cita que, apesar deste aumento nas emissões de NO
x
ser
um fato, ainda existe espaço técnico para utilização imediata do B9 mesmo
quando utilizado no motor que mais emite NO
x
homologado pelo Programa de
Controle de Emissões Veiculares (PROCONVE) e sendo, ainda assim,
respeitado o limite superior de emissões imposto pelo IBAMA. No texto de
referência ainda é afirmado que, caso o motor de maior índice de emissões de
NO
x
fosse excluído do sistema, seria possível a utilização da mistura de 28% de
Biodiesel no diesel.
2.6.2.
Oportunidades do Protocolo de Kyoto para a Implementação de Geração de
Energia a partir do Biodiesel
O Protocolo de Kyoto, através dos seus instrumentos de flexibilização,
entre eles o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo - MDL, busca obter uma
reversão da tendência de crescimento das emissões de gases de efeito estufa
na atmosfera. Desta forma, o protocolo de Kyoto determina que os países que
aderiram às suas determinações, reduzam suas emissões e para tal, foram
criados os chamados mecanismos de flexibilização.
Há abertura no protocolo para o caso de algum país que não consiga
atingir as metas de redução. Este poderia comprar créditos de outras nações
que possuam projetos de MDL. No entanto, o Protocolo de Kyoto, afirma que
“...reduções de emissões (devem ser) ... adicionais às que ocorreriam na
ausência da atividade certificada de projeto.” (GTI, 2003).
Desta maneira, a forma como será desenvolvido o programa nacional de
Biodiesel definirá a possibilidade ou não de enquadramento nas exigências do
MDL, pois, como explica o GTI (2003), “...para se estabelecer o que se define
como redução adicional, deve-se estabelecer um cenário de referência. Caso o
programa de Biodiesel seja compulsório, o mesmo se configurará como cenário
de referência, não apresentando, portanto, adicionalidade na redução de
emissões. Caso seja autorizativo, apresentará mais chances de elegibilidade. ”
O programa brasileiro está caminhando para que, a partir de 2008, seja
compulsório o consumo de B2, restringindo assim a elegibilidade de projetos
ligados ao Biodiesel dentro do MDL. Contudo, isto não deve ser um fator
decisivo para se inibirem investimentos em Biodiesel, pois além do fato de que
as exigências serem muito severas no âmbito do MDL, dificultando a
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
69
.
elegibilidade de qualquer projeto, também há o risco de não haver compradores
interessados, pois a Diretiva da Comunidade Européia para o mercado de
carbono estabelece como foco os projetos envolvendo grandes fontes
estacionárias de emissão, como grandes centrais de geração de energia,
indústria do cimento, entre outros (GTI, 2003).
Por outro lado, por ser o Biodiesel proveniente basicamente de óleo
vegetal, estimulando-se o consumo deste combustível, estimular-se-á o
desenvolvimento de empreendimentos ligados ao agronegócio e estes sim, entre
outras alternativas, podem ser elegíveis para a recuperação de crédito de
carbono dentro do Protocolo de Kyoto.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
70
.
3
Simulação de uma Usina Termelétrica
Considerando os diversos aspectos já tratados nesta dissertação, fez-se
necessário simular o comportamento termodinâmico de motores estacionários
operando com Biodiesel, a fim de comparar seu desempenho operando com
combustíveis convencionais.
Vale lembrar, neste ponto, que os motores a combustão interna (MCI)
representam a tecnologia mais difundida dentre as máquinas térmicas, devido à
sua simplicidade, robustez e alta relação potência/peso (Lora e Nascimento,
2004). Dentre os MCI, os que operam segundo o ciclo diesel geralmente
apresentam grande eficiência térmica quase que independentemente da faixa de
operação (carga parcial ou total) e não são tão sensíveis às condições
ambientais como outros motores térmicos (i.e., turbina a gás). Grone e Hallmam
(1997) consideram que os MCI, e em particular os motores a ciclo Diesel,
apresentam a mais alta eficiência dentre as máquinas térmicas para
capacidades inferiores a 50MW, passando dos 40% e chegando a
aproximadamente 58% se for considerada a recuperação de calor dos gases de
exaustão (cogeração).
Outras vantagens relacionadas à geração de eletricidade a partir de MCI
incluem a possibilidade de se queimar diferentes combustíveis (i.e óleo Diesel,
óleos pesados, óleos vegetais, etc) inclusive em motores já instalados, após
pequenas alterações no motor (Lora e Nascimento, 2004). Entretanto, com a
mudança de combustível, alterações inevitáveis ocorrerão em alguns dos
parâmetros de desempenho, tais como potência, eficiência térmica, consumo,
emissões, entre outros.
Adicionalmente, deve-se considerar que a modularidade dos equipamentos
de uma Usina Termelétrica (UTE) operando com ciclo diesel possibilita um curto
tempo de montagem e um mínimo espaço para construção, além da ótima
flexibilização de carga. Uma vez pronta, a usina terá como característica uma
rápida entrada em operação (start-up) e possibilidade de facilmente entrar ou
sair de operação ao longo do dia. A faixa de aplicação de grupos moto-
geradores é ampla, podendo ir desde poucos kW até centenas de MW, para fins
de geração isolada ou interligada, propulsão ou unidades de emergência.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
71
.
É apresentado, neste capítulo, um modelo de simulação de uma planta
termoelétrica com motor diesel operando com Biodiesel.
3.1.
Sistema a ser modelado
Para a simulação, será considerada uma UTE (Usina Termoelétrica)
fictícia, supostamente instalada e operando com determinado óleo combustível.
O grupo moto-gerador utilizado para esta análise foi o modelo 18V46
fabricado pela Wärtsilä Corporation. Conforme informado pelo Fabricante
(Wärtsilä, 2004) este equipamento possui 18 cilindros dispostos em “V”
operando a 514 rpm, e 60 Hz. Fornece uma potência elétrica de 17.076kW, com
uma eficiência elétrica de 46,9% (tolerância de 5% e fator de potência 0,8,
conforme indicado no manual do moto-gerador).
A configuração escolhida para a análise foi a de uma usina com três moto-
geradores, totalizando aproximadamente 51MW. Uma usina com características
similares está instalada na Bahia (Torres et al, 2005). Esta escolha foi tomada
em função de, apesar de estar longe das principais capitais do sudeste do Brasil,
ser a Bahia uma região em franco crescimento industrial, que possui a
disponibilidade de outros combustíveis (i.e., proximidade da refinaria Landulpho
Alves – Rlam) que podem ser comparados com o Biodiesel na análise e cujo
governo local se apresenta como um dos maiores incentivadores para a
produção de Biodiesel no Brasil, principalmente a partir de óleo de mamona. Tal
incentivo é devido a ações positivas de grupos da região, tais como o movimento
PRÓ-Biodiesel Bahia (Portal do Biodiesel, 2006) e da Rede Baiana de
Biocombustíveis (Rede Baiana de Biocombustíveis, 2006).
Os combustíveis de base escolhidos foram os chamados Óleos
Combustíveis. Estes são hoje largamente utilizados na indústria, principalmente
para a geração de vapor em caldeiras ou como combustíveis de moto-geradores.
São constituídos de hidrocarbonetos residuais e possuem alto peso molecular e
alta viscosidade (Lora e Nascimento, 2004) e, por isto, sua utilização exige
geralmente seu pré-aquecimento, a fim de reduzir a viscosidade, favorecendo,
desta forma, o bombeamento e pulverização.
A partir de 1986, os óleos combustíveis no Brasil passaram a ser divididos
em dois grupos. O grupo “A” contém os óleos combustíveis com teor de enxofre
superior a 1% e inferior a 5,5% e o grupo “B”, os com teor de enxofre inferior ou
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
72
.
igual a 1%. Cada um destes grupos foi subdividido em 9 subgrupos, separados
pela viscosidade, onde o nº 1 representa a mais baixa viscosidade neles
encontrados e o nº 9, a mais alta.
Segundo Lora e Nascimento (2004), dos diversos tipos de óleos
combustíveis disponíveis no mercado, o OC1A, OC1B, OC2A e OC2B
representam 65% do mercado de óleos combustíveis no Brasil. Por este motivo,
serão os utilizados na presente simulação termodinâmica. As características
físico-quimicas mais relevantes destes combustíveis estão na tabela abaixo:
Tabela 08 – Características de alguns óleos combustíveis.
Fonte: Lora e Nascimento, 2004
Óleo
Combustível
(tipo)
Viscosidade
máxima
(SSF @50
0
C)
Enxofre
(% peso)
PCI
(kJ/kg)
OCA1
600
2,20
40.488
OCA2
900
2,80
40.023
OCB1
600
0,80
41.221
OCB2
900
0,74
41.142
A troca de combustível em um motor a combustão tem impacto direto no
comportamento deste. Os efeitos na eficiência, potência e consumo serão os
investigados na presente dissertação.
3.1.1.1.
Efeitos na eficiência e potência em motores ciclo Diesel, ocasionados pela
mudança de combustível
Neste ponto torna-se importante investigar quais os efeitos na eficiência e
na potência em um motor quando passa a ser alimentado por outro combustível.
O balanço de energia, aplicado a um motor a combustão interna, implica que a
taxa de fornecimento de energia do combustível será transformada em outras
formas, a saber: potência no eixo e taxas de perdas de calor pelo fluido de
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
73
.
arrefecimento, pelos gases de exaustão e por outros meios em geral (radiação,
óleo lubrificante, etc.).
Ao se trocar apenas o combustível utilizado e se este, por exemplo,
apresentar menor poder calorífico do que o original, espera-se que uma menor
taxa de energia química seja fornecida ao motor, se mantido inalterado o sistema
de injeção de combustível. Os balanços de massa e energia (primeira lei da
termodinâmica) indicam que as potências de saída e as perdas também
decresçam. Na realidade, outros fatores entram em jogo.
Taylor (1961) indica que, para o caso de motores que operam em um
ciclo Diesel, a mudança do combustível utilizado geralmente não exige mudança
na taxa de compressão, caso os números de cetanos forem próximos. Todas as
comparações, entre óleo diesel e Biodiesel, são feitas supondo, obviamente,
mesmas condições de pressão e temperatura à entrada do motor. Por estas
razões, em testes de bancada onde se buscam analisar efeitos ocorridos a partir
da mudança de combustível, estas grandezas permanecem constantes, assim
como permanecerão nas simulações desta dissertação.
Testes deste tipo geralmente são feitos utilizando o mesmo conjunto moto-
bomba para injeção de combustível, o qual, por ser um dispositivo de
deslocamento positivo, fornece um volume deslocado constante por ciclo (ou por
unidade de tempo) para todos os combustíveis, havendo variações apenas para
o caso de diferença de densidade entre os fluidos (Taylor, 1961). Nestes casos,
considerando que a taxa de fornecimento volumétrica permanece constante,
mas se utilizando de diferentes combustíveis (conseqüentemente diferentes
Poderes Caloríficos Inferiores – PCI), fica claro que a potência e o consumo
específico serão diferentes para cada caso.
Testes onde se tem como resultado a variação na potência mecânica são
úteis para motores, por exemplo, utilizados na indústria automotiva. Por exemplo
quando se quer investigar o efeito da substituição de diesel mineral por outro
combustível para uma frota de caminhões usados, fica, por razões óbvias,
praticamente impossível de se modificar o sistema de bombeamento destes
veículos para se modificar o sistema de injeção e com isso manter a potência
mecânica constante. Geralmente o que se faz é verificar o quanto a potência vai
variar com a mudança do combustível e então se chega a uma conclusão: se é
possível conviver com esta mudança ou não, isto é, se afetará significativamente
a dirigibilidade.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
74
.
Para fins estacionários, de motores instalados para geração de
eletricidade, a variação na potência mecânica e, conseqüentemente, a variação
na potência elétrica produzida nos geradores, não ocorre da mesma maneira.
Usinas termoelétricas têm, geralmente, um contrato de venda de energia que
fixa a quantidade de energia elétrica que a UTE vai fornecer ao sistema ou pode
fornecer quando solicitada. Nestes casos justifica-se a modificação no sistema
de bombeio de combustível para se manter a potência dos grupos moto-
geradores constante.
Taylor (1961) mostra que o aumento da eficiência, quando no caso de
consumo volumétrico constante, está diretamente ligado à diminuição da massa
específica do combustível, o que pode ser devido, entre outros fatores, à
redução da razão ar-combustível e à melhoria da atomização do combustível na
câmara de combustão. Por outro lado, conclui que, no caso onde a faixa de
variação de eficiência térmica do motor é pequena para diferentes combustíveis
(ver tabela 11), esta variação se dá praticamente pela mudança no poder
calorífico do combustível.
Laforgia et al. (1994) realizaram testes em um motor diesel funcionando
com diesel e com Biodiesel, a fim de comparar o comportamento do motor no
que diz respeito à potência e eficiência global. Embora o autor não tenha
apresentado, em seu trabalho, como foi calculado este parâmetro, os resultados
podem ser resumidos nas tabelas abaixo:
Tabela 9 – Comparação entre Potências de um motor funcionando com
diferentes combustíveis.
Fonte: reproduzido a partir de gráficos produzidos por Laforgia et al.(1994).
Velocidade angular do motor (rpm)
2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500
Potência
Biodiesel
(kW)
28 32 34 36 38 40 41
Potência
Diesel
(kW)
- 28 32 35 38 41 43
Biodiesel
Diesel
Potência
Potência
- 1,14 1,06 1,02 1,00 0,97 0,95
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
75
.
Tabela 10 - Comparação entre Eficiências de um motor funcionando com
diferentes combustíveis.
Fonte: reproduzido a partir de gráficos produzidos por Laforgia et al. (1994).
Velocidade angular do motor (rpm)
2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500
Eficiência
Biodiesel
(%)
24 27 26 25 24 23 22
Eficiência
Diesel
(%)
- 24 24 23 24 23 22
Biodiesel
Diesel
Eficiência
Eficiência
- 1,13 1,08 1,08 1,00 1,00 1,00
Taylor (1961) alerta para o fato de que testes feitos mostram que, se o
produto da razão ar-combustível (corrigindo o valor para cada combustível
testado) pelo poder calorífico por unidade de massa do combustível permanecer
constante, resultará em uma eficiência térmica constante. O que implica que o
consumo específico de combustível é inversamente proporcional ao valor do seu
poder calorífico, mas que a variação no consumo específico cresce mais
lentamente com o aumento do peso específico.
Nos combustíveis estudados na presente dissertação, os combustíveis têm
peso específico semelhante e, considerando os resultados de Laforgia et al.
(1994), que mostram que a variação de eficiência térmica, quando substituído o
óleo diesel pelo Biodiesel, é pequena, será considerado, então, que a variação
no consumo dar-se-á exclusivamente pela variação do poder calorífico do
combustível.
Uma observação importante sobre o consumo de combustível deve ser
feita a respeito dos diferentes consumos a carga total e parcial. Adams (1949)
mostra uma dependência linear do aumento do consumo com o aumento da
porcentagem da potência mecânica para situação distante da condição de carga
máxima, onde ocorre a formação de fumaça (Greene e Lucas, 1969) e uma
dependência não mais linear.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
76
.
3.1.1.1.1.
Consumo específico e eficiência global
Para os grupos moto-geradores, é importante conhecer o consumo
específico de combustível em relação aos kWh gerados.
A determinação do consumo de combustível em um motor é fundamental
para que se conheça a eficiência com que transforma a energia química do
combustível em trabalho útil. De posse dos valores de consumo de combustível
e potência, pode-se calcular o consumo especifico de combustível, grandeza
também conhecida como Brake Specific Fuel Consumption (B.S.F.C.), pela
equação abaixo:
•
•
ρ ×
=. . . .
V
B S F C
W
(1)
onde ρ,
•
V
e
•
W
são respectivamente: a massa específica do combustível,
o volume consumido e a potência elétrica gerada.
Testes realizados por Laforgia et al (2004) comparam a diferença de
consumo específico em um motor diesel para diversos combustíveis. Os testes
foram realizados em um motor de quatro cilindros de aproximadamente 43kW
(@4200 rpm) que operou com óleo diesel e depois com Biodiesel. Os testes
mostraram uma diminuição de aproximadamente 5% na potência (ver tabela 10),
quando o motor operou com Biodiesel, em altas rotações. O autor atribuiu a
queda ao menor poder calorífico e à maior densidade do Biodiesel em relação ao
combustível convencional.
Foi observado, em todas as rotações utilizadas nos testes, um aumento do
consumo específico, conforme tabela abaixo:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
77
.
Tabela 11 - Comparação entre B.F.S.C. de um motor funcionando com
diferentes combustíveis.
Fonte: reproduzido a partir de gráficos elaborados por Laforgia et al. (1994).
Velocidade angular do motor (rpm)
2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500
B.F.S.C
Biodiesel
(g/kWh)
375 330 345 360 365 375 415
B.F.S.C
Diesel
(g/kWh)
- 325 330 335 325 330 350
r
c
(1)
- 1,02 1,05 1,07 1,12 1,13 1,18
Nota (1): r
c
é definida como sendo a razão do consumo específico do combustível analisado pelo
consumo específico do combustível de referência, ou seja:
r
c
=
comb. analisado
comb. de ref.
B.F.S.C
B.F.S.C
(2)
Estes resultados serão utilizados para comparação de resultados dos
modelos desta dissertação.
3.2. Modelo Matemático
O modelo matemático desenvolvido nesta dissertação foi desenvolvido a
partir do modelo físico simplificado apresentado na figura 17:
Figura 17: Modelo do grupo moto-gerador.
ar
combustível
gases de exaustão
fluido de arrefecimento
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
78
.
O modelo proposto na figura 17 possui 6 equipamentos ou sistemas principais, a
saber:
• Motor Diesel
• Gerador Elétrico
• Filtro de Ar
• Sistema Fechado de Água de Resfriamento – fornece água à
temperatura ambiente ao radiador do motor, resfriando os fluidos de
arrefecimento e lubrificação.
• Caldeira de Recuperação de Calor – dispositivo que gera vapor que será
utilizado para pré-aquecimento do óleo combustível. A fonte quente deste
equipamento é o gás de exaustão do motor.
• Aquecedor de Óleo – trocador de calor que recebe vapor da caldeira e
pré-aquece o combustível que será utilizado no motor.
3.2.1.
Balanço de energia do motor
Analisando o motor como o volume de controle, é sabido que a taxa de
fornecimento de energia do combustível é convertida em potência mecânica de
eixo. Igualmente, a parte restante daquela é perdida ao meio ambiente, seja pelo
fluido de arrefecimento, pelos gases de exaustão ou por outras perdas de calor
por radiação, lubrificação e etc. Portanto, o balanço de energia é dado por:
• • • • •
cb,e,m ei,s,m fa,s,m ex,s,m perdas,s,m
E =E +E +E +E
(3)
onde os termos representam, em ordem de apresentação: taxa de fornecimento
de energia pelo combustível, potência mecânica no eixo, taxa de calor retirada
pelo fluido de arrefecimento, taxa de calor perdida pelos gases de exaustão e
taxa de calor perdida por outros meios (radiação e lubrificação, entre outros).
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
79
.
3.2.1.1.
Taxa de fornecimento de energia pelo combustível (
•
cb,e,m
E
)
A taxa de energia do combustível é dada pelo produto da vazão mássica
do combustível, em kg/s, pelo valor do poder calorífico inferior do combustível
(LHV), em kJ/kg, conforme a equação (4), abaixo:
Ė
cb,e,m
=
•
cb,e,m
m PCI
cb,e,m
(4)
3.2.1.2.
Potência mecânica no eixo (
•
ei,s,m
E )
A potência mecânica no eixo pode ser calculada da seguinte forma:
Ė
ei,s,m
= α
mec,s,m
Ė
cb,e,m
(5)
onde
•
ei,s,m
E é a demanda fixa de potência, em kW, do motor estudado. A
grandeza α
mec,s,m
é a razão entre a quantidade de energia que entra por unidade
de tempo no motor com o combustível e a potência mecânica no eixo do motor.
É conhecida como eficiência térmica do motor.
3.2.1.3.
Taxa de calor retirado pelo fluido de arrefecimento (
•
fa,s,m
E )
A taxa de calor retirado pelo fluido de arrefecimento é dada por:
Ė
fa,s,m
= α
fa,s,m
Ė
cb,e,m
(6)
Assim como no item anterior, a grandeza
α
fa,s,m
representa o quanto da
energia entregue pelo combustível ao volume de controle do motor, é retirada
pelo fluido de arrefecimento.
Por outro lado, esta taxa de transferência de calor para o fluido de
arrefecimento pode ser calculada pela equação abaixo:
fa,e,m
• •
fa,s,m fa,e,m
p fa,s,m fa,e,m
E = m c (T -T )
(7)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
80
.
onde
fa,e,m
fa,s,m fa,e,m
p
E ,m ,c
• •
são, respectivamente, a taxa de calor retirado pelo
fluido de arrefecimento, a vazão do fluido de arrefecimento e o calor específico
do mesmo. As temperaturas de saída e entrada do motor do fluido de
arrefecimento são dadas por
fa,s,m fa,e,m
T e T
, respectivamente.
3.2.1.4.
Cálculo da taxa de calor perdido pelos gases de exaustão (
•
ex,s,m
E )
Analogamente, a taxa de calor perdido pelos gases de exaustão pode ser
calculada por:
Ė
ex,s,m
= α
ex,s,m
Ė
cb,e,m
(8)
onde
α
ex,s,m
é a razão da energia total que entra no motor que é transformada
em energia térmica perdida pelos gases de exaustão. Esta fração, aliada à
temperatura aponta para a utilização dos gases de exaustão como fonte quente
em uma caldeira de recuperação de calor.
A taxa de energia perdida pelos gases de exaustão pode ser calculada
pela expressão abaixo (Greene e Lucas, 1969):
ex,s,m ar,e,m cb,e,m
• • • • •
ex,s,m cb,e,m ar,e,m cb,e,m
p ex,s,m p ar,e,m p cb,e,m
ar,e,m
E =(m + m )c (T )-m c (T )-m c (T )
(9)
Os mesmos autores (Greene & Lucas, 1969) sugerem também a
expressão abaixo para o cálculo do calor específico dos gases de exaustão,
como em função apenas da temperatura destes:
ex,s,m
-4 -8 2 0
p ex,s,m ex,s,m
c =0,988+2,3.10 (T )+5,0.10 (T ) [kJ/kg. C]
(10)
onde T
ex,s,m
é dado em
0
C.
3.2.1.5.
Taxa de calor perdida no motor por radiação e outras formas (
•
perdas,s,m
E
)
A taxa de calor perdida por radiação e outras formas é dada por:
Ė
perdas,s,m
= α
perdas,s,m
Ė
cb,e,m
(11)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
81
.
onde
α
perdas,s,m
é a razão entre a taxa de perdas de calor por radiação, pelo
lubrificante e de outras formas e a taxa de fornecimento de energia pelo
combustível.
Com isso, tem-se que:
1
i
α
∑ =
(12)
i.e.
α
mec,s,m
+ α
ex,s,m
+
α
fa,s,m
+ α
perdas,s,m
= 1
3.2.1.6.
Balanço de energia da caldeira de recuperação de calor
Aplica-se a primeira lei da termodinâmica para o volume de controle da
caldeira de recuperação de calor (ver figura 17) sob as seguintes hipóteses e
constatações:
• Regime Permanente
• Variação de energia cinética desprezível
• Variação de energia potencial desprezível
• Trabalho nulo
• Trocador de calor adiabático
Parte do calor levado para dentro da caldeira pelos gases de exaustão,
será absorvido pelo fluido a ser vaporizado. Parte desta energia será perdida
para o ambiente. O vapor gerado na caldeira será utilizado para aquecimento do
combustível que entra no motor.
Assim, o balanço de energia da caldeira pode ser escrito por:
ex,s,m
• •
ex,s,m ag,e,c
p ex,e,c ex,s,c ag,s,c ag,e,c c
E c (T -T ) = m (h -h )+Q
•
(13)
E o balanço de massa por:
• • •
ex,s,m ar,e,m cb,e,m
m = m +m
(14)
onde a vazão mássica dos gases de exaustão (
•
ex,s,m
m ) é a soma da vazão
mássica do combustível (
•
cb,e,m
m ) e do ar (
•
ar,e,m
m ) que entram no motor.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
82
.
3.2.1.7.
Balanço de energia no aquecedor de combustível
Assim como foi feito para a caldeira, para o caso do aquecedor de óleo
(ver figura 17) pode-se aplicar a primeira lei da termodinâmica para o volume de
controle com as mesmas hipóteses (regime permanente, variações desprezíveis
de energia cinética e potencial, trabalho nulo e trocador adiabático). Da energia
carregada para dentro do aquecedor de óleo, parte será absorvida pelo
combustível e parte será perdida para o ambiente.
O balanço de energia resulta em:
• • •
cb,e,m
ag,e,a cb,e,a
a
ag,e,a ag,s,a p cb,s,a cb,e,a
m (h -h )=m c (T -T )+Q
(15)
O balanço de massa é dado por:
• •
ag,e,a ag,e,c
m =m
(16)
• •
cb,e,a cb,e,m
m =m (17)
3.2.2. Valores constantes atribuídos
a) Taxa de Energia perdida pelos gases de exaustão
A vazão, assim como a temperatura de exaustão, foram estimadas pelo
fabricante do motor analisado, como segue:
•
ar,e,m
m = 30 [kg/s]
Supõe-se que a eficiência volumétrica não mudará com o combustível e,
conseqüentemente também a razão de ar.
Não foi encontrado na literatura, resultados de testes de motor operando
com óleo combustível e também com Biodiesel, no que diz respeito a
temperatura dos gases de exaustão. Poderiam acontecer três casos: aumento,
diminuição ou manutenção da temperatura dos gases de exaustão, este último
pouco provável.
A estimativa da temperatura dos gases de exaustão para cada caso está
no Apêndice III do presente trabalho. Os valores encontrados foram os
reproduzidos na tabela 12.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
83
.
Na impossibilidade de se encontrar o calor específico do Biodiesel,
cb,e,m
p
c ,
na literatura, foi atribuído o valor médio de 2,075 [kJ/kg.
0
C], considerando que
para diversos tipos de óleo combustível, tais como óleo leve, médio e pesado,
este valor varia de 1,95 e 2,20 [kJ/kg.
0
C]. Logo:
, ,
1,95 2,20
2,075
2
cb e m
p
c
+
= =
[kJ/kg.
0
C]
Para o ar, foi fixado o valor de 1,00 [kJ/kg.
0
C]:
, ,
1,00
ar e m
p
c
=
0
[kJ/kg. C]
A temperatura de entrada do combustível no motor é especificada pelo
fabricante:
0
cb,e,m
T =90 [ C]
b) Balanço de energia na caldeira de recuperação de calor
Combustível
Temperatura estimada dos
gases de exaustão (
o
C)
OCA1
317,0
OCA2
324,9
OCB1
304,9
OCB2
306,2
Biodiesel de Canola,
Rota metílica
375,4
Biodiesel de Soja,
Rota metílica
373,9
Biodiesel de Girassol,
Rota metílica
352,7
Biodiesel de Dendê,
Rota etílica
341,7
Biodiesel de Mamona,
Rota etílica
332,2
Tabela 12 - Temperatura estimada dos gases de exaustão
para diferentes combustíveis
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
84
.
A temperatura de saída da caldeira foi estimada e fixada em torno de
200
0
C, para evitar condensação de ácidos que provocam corrosão nos
elementos do sistema de exaustão. É necessário, então, que esta temperatura
seja maior que a temperatura do ponto de orvalho dos elementos que possam se
combinar com vapor dágua (por exemplo enxofre), formando ácidos. Por
hipótese, o escoamento dos gases que saem da motor e entram na caldeira de
recuperação de calor, é isotérmico, logo:
0
ex,s,c
T =200 [ C]
ex,e,c ex,s,m
T =T
(18)
As perdas na caldeira de recuperação de calor foram, por hipótese,
limitadas a uma eficiência mínima de 80%.
c) Balanço de energia no aquecedor de óleo
Por hipótese foi admitida, para o combustível, uma temperatura de
entrada no motor igual a 50
0
C:
0
cb,e,a
T =50 [ C]
O escoamento de combustível pode ser considerado isotérmico desde a
saída deste do aquecedor até a entrada no motor.
cb,s,a cb,e,m
T =T
(19)
As perdas no aquecedor de óleo foram, por hipótese, limitadas a uma
eficiência mínima de 80%.
O processo no aquecedor de óleo pelo lado da água é considerado
isobárico. Então:
ag,s,a ag,e,a
P = P =7 [bar]
3.2.3. Equações de Propriedade
As equações de propriedade dos fluidos foram calculadas em função de
propriedades termodinâmicas, conforme abaixo:
fa,e,m
p
c
=
p
c
(T
fa,e,m
, P
fa,e,m
) [kJ/kg.ºC] (20)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
85
.
h
ag,e,c
=h (fluido, T
ag,e,c
,P
ag,e,c
) [kJ/kg] (21)
h
ag,s,c
= h
ag,e,a
= h (fluido, T
ag,s,c
, P
ag,s,c
) [kJ/kg] (22)
h
ag,s,a
= h (fluido, T
ag,s,a
, P
ag,s,a
) [kJ/kg]
(23)
T
ag,s,a
= T
sat
(fluido, P
ag,s,a
) [ºC]
(24)
No presente trabalho foram utilizadas as funções da biblioteca do
programa Engineering Equation Solver.
3.3. Solução – EES
Para se resolver o sistema de equações que compõe o modelo
matemático foi utilizado o programa Engineering Equation Solver (EES V7.258-
3D), programa desenvolvido por professores da Universidade de Wisconsin,
EUA. Além das equações dos balanços de massa e energia, das equações de
propriedades, das hipóteses, e das equações relativas aos dados de entrada, é
necessário atribuir a condição de contorno do problema. Os dados de entrada
são, então:
3.3.1.
Variáveis conhecidas – Dados de entrada
a) Taxa de Energia retirada pelo Fluido de Arrefecimento
No balanço de massa e energia do radiador do moto-gerador, define-se
geralmente as temperaturas de entrada e saída do fluido de arrefecimento,
assim como a vazão do mesmo. Para o modelo, foram estimadas as seguintes
grandezas:
fa,e,m
P =4 [bar]
0
fa,s,m
T =91 [ C]
0
fa,e,m
T =75 [ C]
fa,s,m
m =52,78 [kg/s]
•
b) Para o sistema de referência será utilizado o óleo combustível OCA1
cujo valor do poder calorífico inferior é dado por (Lora, 2005):
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
86
.
PCI
cb,e,m
=40.488 [kJ/kg]
c)
A potência demandada do grupo moto-gerador é:
•
ei,s,m
E =17.076 [kW])
d) As grandezas relacionadas à água que é fornecida à caldeira de
recuperação de calor são:
•
ag,e,c
m = 0,917 [kg/s]
T
ag,e,c
=115 [
0
C]
T
ag,s,c
= T
sat
(@ P
sat
) [
0
C]
P
ag,e,c
= P
ag,s,c
=7 [bar]
3.3.2. Equações do sistema
O sistema de equações algébricas, a ser resolvido pelo código
computacional, é composto pelas 14 seguintes equações: (3), (4), (5), (6), (7), (8)
, (9), (10), (11), (13), (14), (15), (16), (17).
3.4. Atrito em motores Diesel
A partir da linha de Willan (Greene e Lucas, 1969) é possível determinar,
no ponto de torque nulo qual é o consumo de combustível necessário para se
vencer o atrito em motores que operam segundo o ciclo diesel. Extrapolando a
mesma linha para o ponto de consumo de combustível nulo, é possível, também,
determinar o torque necessário para se vencer estes atritos. Esta informação
permite determinar a potência de atrito do motor para dada velocidade angular.
Pereira (2006) testou quatro diferentes motores (MWM 4.07 TCA, MWM
4.10 TCA, MWM 229-6 e MWM TD229-EC6), convertidos para operar no modo
Diesel/gás natural e três moto-geradores (Perkins 1006TAG, Cummins
NTA855G3 e Perkins 4012TAG2), com o objetivo, entre outros, de determinar o
torque e a potência de atrito.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
87
.
Pereira (2006) cita que o torque de atrito é um dos parâmetros
necessários à estimativa de desempenho de motores e que o resultado de sua
pesquisa permite estimar o atrito em motores diferentes daqueles por ele
testado.
Os torques de atrito para o presente estudo foram estimados pelas
curvas levantadas por Pereira (2006) para cada motor para diferentes
velocidades angulares. No caso dos grupos moto-gerdores, regulados para
operar a 1800 rpm (condição para geração de eletricidade em 60hz em
alternadores de 4 pólos) o autor chama a atenção para o fato de, por possuírem
potências muito distintas (o maior tem aproximadamente 1MW e o menor
aproximadamente 100 kW), obviamente para as potências de atrito foram,
também, encontrados valores distintos, conforme números abaixo:
• P
otência de atrito
(Perkins 1006TAG) = 26 kW
• P
otência de atrito
(Cummins NTA855G3) = 58 kW
• P
otência de atrito
(Perkins 4012TAG2) = 167 kW
Dividindo estes resultados pela cilindrada dos correspondentes
equipamentos, chegou ao interessante resultado de 4,0 ± 0,34 kW/litro
(Pereira, 2006).
A partir desta constatação e considerando a cilindrada do grupo moto-
gerador em estudo como sendo se 1.735 litros, chega-se à conclusão que a
potência de atrito pode ser estimada em :
P
otência de atrito
(Wärtsilä 18V46) = 6.940 kW ± 589,9 kW
Por outro lado, Pereira (2006) apresentou uma correlação que ajusta os
pontos experimentais dos torques de atrito obtidos em bancada e a cilindrada
dos correspondentes motores. Tal relação, com erro médio de 6,9% e
máximo de 26,9%, é apresentada abaixo. Nela, a velocidade angular (ω) é
dada em rpm:
3 6 2
14,41 6,845.10 3,645.10
A
T
ω ω
− −
= − +
∀
(25)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
88
.
Sabendo-se que a rotação deste grupo moto-gerador é igual a 514 rpm,
pode-se calcular a potência de atrito pela equação (26):
( )
A
A
T
P
ω
= ∀
∀
(26)
Pela correlação de Pereira (2006) a potência de atrito prevista é igual a
6.093 kW
[7]
. O autor cita que os torques de atrito e, conseqüentemente, as
potências de atrito são consideravelmente maiores nos grupos moto-
geradores, quando comparado com os motores testados em bancada, uma
vez que no caso dos moto-geradores há ocorrência de torque de atrito nos
geradores, alternadores e outros acessórios. Além do mais, o autor cita que,
quanto maior for o grupo moto-gerador, menor é seu torque de atrito por
unidade de cilindrada, o que deve ser significativo ao se comparar os grupos
testados e o calculado nesta dissertação.
3.5. Número de Cetano
Outro parâmetro estudado no presente trabalho é o número de cetano do
Biodiesel. O número de cetano está intimamente ligado à qualidade da
ignição e, conseqüentemente, ao tempo de ignição. O tempo de ignição, ou
atraso de ignição (ignition delay), é definido por Heywood (1989) como sendo
o intervalo entre o início da injeção do combustível e o início da combustão.
Uma vez que as características de ignição do combustível, qualificado pelo
número de cetano, afetam diretamente o tempo de ignição, determiná-las
torna-se importante a fim de se poder quantificar a eficiência térmica,
emissão de fumaça, falha na combustão, emissão sonora, facilidade de
partida, auto-ignição, entre outros fatores (Heywood, 1989).
O autor cita que, para combustíveis de baixo número de cetano,
com alto atraso na ignição, todo o combustível é injetado antes de se iniciar a
combustão, o que propicia elevada taxa de queima, favorecendo a auto-
ignição e, conseqüentemente, ocorrência de ruído no motor, conhecido como
“batida” (diesel knock). Em casos extremos, a ignição ocorre durante o
processo de expansão, resultando em combustão incompleta com
conseqüente redução de potência.
[7] A correlação empirica é válida para a faixa de potência de 0,1 MW até 1,0 MW. No presente
trabalho, a correlação foi extrapolada para a potência do grupo moto-gerador 18V46 da Wärtsilä,
aproximadamente 17 MW.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
89
.
Para altos números de cetano, a combustão inicia antes de acontecer
uma boa mistura ar/combustível, resultando em combustão incompleta e
conseqüente emissão de fumaça.
Levando-se em conta o Biodiesel com maior número de cetano entre os
apresentados na tabela 13 (Biodiesel de óleo de canola, rota etílica) e
considerando o óleo diesel com número de cetano igual a 40 (ASTM, 2005),
a utilização deste Biodiesel levaria a um incremento de aproximadamente
43% em emissão de fumaça quando comparado com a emissão proveniente
da queima de óleo diesel. Reporta-se entretanto uma diminuição de emissão
de fumaça, como pode ser visto na figura 10 deste trabalho. Patterson (1974)
cita que existem outros fatores, como a volatilidade do combustível, que
também afetam o nível de emissões de fumaça.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80
Número de Cetano
Emissão de Fumaça,
Hartridge
Figura 18: Efeito do número de cetano na emissão de fumaça em motor Diesel.
Fonte: Reproduzido a partir de dados de Patterson, 1974
Heywood (1989) sugere que combustíveis a serem utilizados em motores
diesel, tenham número de cetano dentro da faixa de 40 a 55. As normas
ASTM D6751 (ASTM, 2002), EN 14214 (DIN, 2003) e ANP 42 (ANP, 2004)
exigem respectivamente número de cetano para o Biodiesel de 47, 51 e 45,
enquanto que a norma ASTM D975 exige um mínimo de 40 para o óleo
diesel.
A tabela 13 apresenta o número de cetano para diferentes tipos de
Biodiesel (Knothe, 2005).
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
90
.
Tabela 13 - Apresentação do número de cetano para diferentes
tipos de Biodiesel.
Fonte: Knothe, 2005.
Biodiesel (matéria prima/rota) Número de Cetano
Óleo de soja / rota metílica 49,6
Óleo de girassol / rota metílica 54 – 58
Óleo de dendê / rota etílica 56,2
Óleo de canola / rota metílica 47,9 – 56
Óleo de canola / rota etílica 67,4
Knothe (2005) cita que, para óleo diesel, existe uma relação direta do
aumento do número de cetano e redução das emissões de NO
x
. Pela
condição do Biodiesel ter maior número de cetano, quando comparados com
o óleo diesel, eles foram inicialmente considerados como aditivo para se
elevar o número de cetano do óleo diesel. Por outras razões, já
apresentadas nos capítulos anteriores, verificou-se um aumento de emissão
de NO
x
quando da utilização de Biodiesel em mistura. Conclui-se, então, que
a relação entre o número de cetano e emissões de NO
x
é afetada por outros
fatores como tecnologia do motor e composição química do combustível.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
91
.
4
Resultados
4.1.
Casos estudados
Os casos estudados para o grupo moto-gerador em questão foram
realizados levando em consideração os 4 OC’s descritos e 5 tipos de Biodiesel:
de mamona e dendê produzidos por rota etílica e de soja, e girassol e colza
(canola) por rota metílica.
Como, por hipótese, a usina simulada se encontra em operação, alguns
dados não podem ser alterados, como por exemplo, a potência total da UTE, que
é disponibilizada ao sistema nacional. Adicionalmente, o modelo será
consolidado para um dos combustíveis. E com isto alguns dados deste modelo
serão usados como condição de contorno para as simulações seguintes com o
objetivo de se fixar algumas variáveis e deixar outras livres para serem
comparadas.
4.2.
Resultados
Para a simulação descrita neste trabalho, foi utilizado o OCA1 como
combustível. Com isto o resultado do balanço é apresentado abaixo:
•
cb,e,m
E =3.6071,00 [kW]
α
ex,s,m
= 27,28% ⇒
•
ex,s,m
E =9.841,00 [kW]
α
fa,s,m
= 9,81% ⇒
•
fa,s,m
E =3.538,00 [kW]
α
mec,s,m
= 47,34% ⇒
•
ei,s,m
E =17.076,00 [kW]
α
perdas,s,m
= 15,57% ⇒
•
perdas,s,m
E =5.617,00 [kW]
• •
cb,e,a cb,e,m
m =m =0,8909 [kg/s]
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
92
.
ex,s,m
m
•
=30,89 [kg/s]
ag,s,a
T =164 [
0
C]
ag,s,c
T =166 [
0
C]
4.3.
Compilação dos resultados
Como pode ser verificado pelos resultados acima, da quantidade de
energia que entra no motor carregada pelo combustível, 47,34% são
aproveitados como trabalho de eixo; valor muito próximo ao informado pelo
fabricante (46,9%) (Wärtsilä, 2004). As outras parcelas, referentes a perdas pela
exaustão, pelo fluido de arrefecimento e outras perdas, parecem traduzir a
realidade (Lora e Nascimento, 2004). Os valores encontrados foram
respectivamente, 27,28%; 9,81% e 15,57%.
Pela impossibilidade de se calcular o consumo para diferentes solicitações
com o modelo utilizado, neste trabalho será considerada apenas carga total nos
moto-geradores.
O consumo de combustível OCA1 foi calculado em 0,8909 [kg/s]. Esta será
a grandeza principal de comparação, conforme tabela abaixo:
Tabela 14 - Comparação entre os consumos de combustível
Combustível PCI
(kJ/kg)
Consumo
(kg/s)
r
c
(1)
OCA1 40.488 0.8909
1,00
OCA2 40.023 0.9013
1,01
OCB1 41.221 0.8751
0,98
OCB2 41.142 0.8767
0,98
Biodiesel de Canola,
Rota metílica
37.300 0.9210
1,03
Biodiesel de Soja,
Rota metílica
37.372 0.9192
1,03
Biodiesel de Girassol,
Rota metílica
38.472 0.8929
1,00
Biodiesel de Dendê,
Rota etílica
39.070 0.8793
0,99
Biodiesel de Mamona,
Rota etílica
39.600 0.8673
0,97
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
93
.
Nota (1): O combustível de referência é o OCA1
Os resultados desta tabela mostram que a razão entre o consumo
específico do Biodiesel sobre o consumo específico do OCA1, situa-se em uma
faixa de 0,97 até 1,03. Valores muito próximos dos obtidos por Laforgia e Ardito
(1994) quando comparando o Biodiesel com o Diesel, a baixas rotações. O fato
de, no modelo, ter-se obtido valores inferiores à unidade, apesar do menor poder
calorífico do Biodiesel, deve-se a diferentes eficiências térmicas encontradas em
testes de motores operando com diferentes combustíveis (Laforgia e Ardito,
1994).
Com os dados de consumo, pode-se prever quais os consumos diários,
mensais e anuais para se comparar valores e ainda verificar a necessidade de
ampliação do parque de estocagem ou não da UTE. Para esta próxima análise
foram consideradas uma taxa média de indisponibilidade forçada de 15% e uma
taxa média de indisponibilidade programada de 11%, como sugerido pelo ONS
(2005). A taxa de indisponibilidade é uma boa medida para identificar o nível de
desempenho de uma UTE que esteja operando, pois para seu cálculo,
considera-se a relação entre o total de horas paradas da UTE para receber
manutenção e o total de horas em serviço.
Multiplicando-se a vazão de combustível, pela quantidade de horas que
operaria por dia, pode-se calcular consumo diário por grupo moto-gerador. O
resultado pode ser representado pelo gráfico da figura 19.
Os cálculos do consumo mensal (C
m
), considerando um mês de 30 dias, e
do consumo anual (C
a
), considerando o ano com 365 dias, pode ser feito a partir
das equações abaixo:
C
m
=C
d
.30 [kg/mês] (1)
C
a
=C
d
.365 [kg/ano] (2)
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
94
.
Diferença de consumo de combustível por dia de operação,
por motor
54
55
56
57
58
59
60
61
OCA1 OCA2 OCB1 OCB2 Biodiesel
de
Canola
Biodiesel
de Soja
Biodiesel
de
Girassol
Biodiesel
de
Dendê
Biodiesel
de
Mamona
Consumo (1000 kg/dia)
Figura 19: Diferença de consumo de combustível por dia de operação considerando apenas
Um grupo moto-gerador operando.
Este gráfico representa a diferença de consumo de diferentes combustíveis
por dia de operação para um único motor. O gráfico representa indiretamente os
investimentos iniciais de uma planta nova ou a necessidade de expansão de
uma já existente. A estocagem de combustível típica de uma UTE deste tipo é
para dois dias de operação contínua, ou seja, para o caso de uma usina
projetada para operar com OCB2 ou OCB1 a tancagem seria insuficiente para
atender Biodiesel de canola ou de soja. A diferença, no entanto, para se atender
estes dois dias de operação, algo em torno de um volume de 6.000kg por grupo
moto-gerador, além dos gastos para manutenção do mesmo e manutenção
térmica do combustível, pode ser contornada e este não deve ser motivo para a
inibição de um investimento desta natureza.
Um aspecto que parece ser mais preocupante, quando comparado ao
aspecto de estocagem, é quanto aos custos referentes ao consumo mensal e
anual, pois, obviamente, a diferença absoluta tende a aumentar.
Semelhantemente ao que foi feito para o cálculo do consumo diário, os
consumos mensal e anual podem ser calculados. Os resultados podem ser
vistos a seguir, nas figuras 20 e 21.
∆
∆∆
∆
V
≅
≅≅
≅
3.000kg/dia
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
95
.
Diferença de consumo de combustível por mês de operação
4,90
4,95
5,00
5,05
5,10
5,15
5,20
5,25
5,30
5,35
5,40
5,45
OCA1 OCA2 OCB1 OCB2 Biodiesel de
Canola
Biodiesel de
Soja
Biodiesel de
Girassol
Biodiesel de
Dendê
Biodiesel de
Mamona
C o n s u m o (k g / m ê s ) * 1 0 ^ 6
Figura 20: Diferença de consumo de combustível por mês de operação.
Diferença de consumo de combustível por ano de operação
60,00
61,00
62,00
63,00
64,00
65,00
66,00
67,00
OCA1 OCA2 OCB1 OCB2 Biodiesel de
Canola
Biodiesel de
Soja
Biodiesel de
Girassol
Biodiesel de
Dendê
Biodiesel de
Mamona
C o n s u m o (k g / a n o ) * 1 0 ^ 6
Figura 21: Diferença de consumo de combustível por ano de operação.
Os resultados consideram que a UTE teria 3 grupos moto-geradores
operando. Com isto a diferença mensal cresce para, aproximadamente, 270
toneladas e, anualmente, para aproximadamente 3.240 toneladas, quando se
compara o Biodiesel de óleo de canola ou de soja com o óleo combustível de
referência. Entretanto, vale lembrar que o programa do Biodiesel no Brasil não
está fundamentado para utilização de B100, principalmente em máquinas deste
porte; talvez tal medida seja possível, em equipamentos menores e apenas em
comunidades isoladas. Adicionalmente, vale destacar que, em curto prazo, não
se teria uma região no Brasil capaz de atender à demanda requerida por esta
UTE.
Considerando apenas os custos de aquisição de Biodiesel, tendo como
referência o 3
0
Leilão de Compra de Biodiesel (ANP, 2006), onde o preço médio
∆
∆∆
∆
V
≅
≅≅
≅
270.000 kg/mês
∆
∆∆
∆
V
≅
≅≅
≅
3.240 ton/ano
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
96
.
atingiu o valor de R$ 1.753,79/m
3
de Biodiesel e considerando o preço do óleo
combustível de R$ 0,792/kg (Torres, 2005), pode-se fazer uma estimativa dos
custos mensais de aquisição para ambos os combustíveis, conforme a figura 22.
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
80.000
90.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mês
Custo (mil R$)
Óleo Combustível Biodiesel
Figura 22: Diferença de custo de aquisição combustível por mês de operação.
Para elaboração deste gráfico foi considerado o peso específico do
Biodiesel igual a 875 kg/m
3
, por ser o valor médio entre os limites inferior e
superior especificado pela Norma EN 14214 (DIN, 2003). Foi também
considerada, a equação para a determinação do custo, abaixo:
mensal
mensal unitário
C m C
•
=
$
[ ]
R
mês
(3)
onde
mensal
m
•
[ ]
kg
mês
é a quantidade de combustível consumida em um mês de
operação e
unitário
C
$
[ ]
R
kg
é o preço do combustível analisado.
Pôde-se, então, verificar que, em um mês de operação, os custos de
aquisição de Biodiesel (R$ 6.587,49 mil) e de óleo combustível (R$ 4.077,07 mil)
uma diferença de R$ 2.510,43 mil, que representam uma desvantagem para a
utilização de Biodiesel. Uma vez extrapolada esta diferença para um ano de
operação, a diferença representa uma expressiva desvantagem competitiva para
este combustível, uma vez que, em doze meses, a diferença de custo de aquisição
de sobe para aproximadamente R$ 30 milhões, como pode ser verificado pela
figura 22.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
97
.
5
Conclusões
É fato que o Biodiesel já é uma realidade no Brasil. A implementação do
programa de Biodiesel no país, contribuirá para a redução das importações de
óleo diesel, uma vez que, a partir de 2008, todo óleo diesel deverá ser
comercializado com 2% de Biodiesel misturado (ANP,2005), totalizando um
volume de aproximadamente 800.000 toneladas por ano.
A criação do “Selo Combustível Social” certamente promoverá a inclusão
social dos pequenos agricultores, seja pela geração de emprego e renda como
pela utilização de Biodiesel como combustível para geração de energia elétrica
em comunidades isoladas.
Outros aspectos positivos do programa afetam a esfera ambiental. É
comentado que a utilização do Biodiesel promoverá uma significativa diminuição
de emissões de poluentes como monóxido de carbono, material particulado,
enxofre e hidrocarbonetos, embora haja ligeiro aumento na emissão de óxido de
nitrogênio.
O melhor aproveitamento regional agrícola por culturas tradicionais como a
soja, a mamona, o dendê, o amendoim e o girassol ou mesmo das novas
alternativas, como o pinhão manso, o nabo forrageiro, o pequi, o buriti, a
macaúba entre outras, será uma difícil questão a ser resolvida, uma vez que o
Brasil é um país tropical, com dimensões continentais.
Na Região Norte, a opção indicada pelo EMPRAPA é o cultivo da palma
africana e o dendê e a produção descentralizada de biodiesel para
abastecimento direto das comunidades isoladas, que produziriam a matéria-
prima e efetuariam a produção do biodiesel, contribuindo assim para a redução
da dependência em relação ao óleo diesel e contribuindo para a inclusão social
dos habitantes destas áreas remotas.
No Nordeste, devido à conotação social dada ao programa, atualmente o
foco de produção está centrado na mamona, dado pela resistência desta matéria
prima à seca, tornando-a uma das únicas alternativas rentáveis para as regiões
árido e semi-árido do Nordeste.
Do ponto de vista das alternativas para o Biodiesel, a região Centro-Sul,
apresenta grande potencial para a soja, o amendoim, o girassol e a própria
mamona (com experiências de sucesso no Mato Grosso), sem falar de que
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
98
.
dispõe ainda de uma grande extensão de terras agricultáveis ainda livres, com
maior regularidade climática.
A simulação termodinâmica utilizou balanços de massa e energia para
descrever o comportamento teórico de um motor a combustão interna de grande
porte operando com alguns óleos combustíveis e alguns tipos de Biodiesel. Os
resultados recomendaram melhorias ou investimentos em maiores pátios de
estocagem do consumidor, além de estudos mais específicos sobre transporte e
logística do Biodiesel.
Como recomendações principais a novos estudos, esta dissertação pode
apontar para os seguintes assuntos:
• Estudos sobre impacto no preço do Biodiesel, em decorrência da oferta
de sub produtos (i.e., glicerina, etc) da produção de Biodiesel, no
mercado.
• Estudos sobre o balanço energético do Biodiesel produzidos por matérias
primas nacionais.
• Testes de motores diesel, operando com diferentes tipos de Biodiesel e
diferentes concentrações.
• Aprimoramento do modelo matemático empregando a partir de dados
empíricos adicionais obtidos com novos ensaios de motores operando
com Biodiesel ou a partir do relaxamento de algumas hipóteses
simplificadoras, substituídas por decisões mais precisas de alguns
processos reinantes em um motor diesel.
Este trabalho tentou reunir aspectos positivos e negativos sobre a
utilização de Biodiesel como combustível. O texto discorreu sobre assuntos
técnicos, ambientais e sociais. Todos estes quesitos devem ser levados em
consideração ao se decidir sobre a implementação, fato este pouco explorado no
Brasil, ainda mais por fontes politicamente neutras. Foi objetivo do presente
trabalho reunir e compilar as questões citadas relativas ao Biodiesel,
contribuindo para uma avaliação isenta e imparcial sobre a continuidade do
programa de Biodiesel no Brasil.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
99
.
6
Referências Bibliográficas
Adams, O., Elements of Diesel Engineering, 2
a
edição, The Norman W.
Henley Publishing CO., 1949.
Agência Nacional de Energia Elétrica, página http://www.aneel.gov.br,
acessada em Novembro de 2005.
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, página
http://www.anp.gov.br, acessada em Novembro de 2005.
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, Resolução
ANP n
o
42, 2004.
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, Resultado
Final do 3
0
Leilão de Compra de Biodiesel, 2006.
Ali, Y., Hanna, M.A., Leviticus, L.I., Emissions and Power Characteristics of
Diesel Engines on Methyl Soyate and Diesel Fuel Blends, Bioresource
Technology Magazine, vol. 52,1995, pp. 185 - 195.
American Society for Testing and Materials, Norma ASTM D 6751, Standard
Specification for Biodiesel Fuel (B100) Blend Stock for Distillate Fuels, 2002.
American Society for Testing and Materials, Norma ASTM D 975, Standard
Specification for Diesel Fuel Oils, 2005.
Arkhangelsky, V., Khovakh, M., Stepanov, Y., Trusov, V., Vikhert, M.,
Voinov, A., Motor Vehicle Engines, Mir Publishers, 1971.
Athayde, E., Arábia Saudita das Energias Renováveis, Jornal Gazeta
Mercantil, 16 de Maio de 2006.
Backman, M., Biodiesel – The Dispatchable Renewable, Anais do Power-
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
100
.
Gen International Conference, 2003.
Banco Nacional do Desenvolvimento Econômico Social (BNDES), página
http://www.bndes.gov.br, acessada em março de 2006.
Câmara de Comércio de Energia Elétrica, página http://www.ccee.org.br,
acessada em Novembro de 2005.
Canakci, M., Erdil, A., Arcaklioglu, E., Performance and Exhaust Emissions
of a Biodiesel Engine, Applied Energy, 2006, pp 594-605.
Cardoso, D., Tecnologia brasileira do Biodiesel, Jornal Gazeta Mercantil, 15
de Março de 2006.
Carranca, J.N., Green Power From Diesel Engines Burning Biological Oils
and Recycled Fat, Anais do Rio 5 – World Climate & Energy Event, fevereiro
de 2005, pp 283 – 292.
Coelho, S.T, Mecanismos para Implementação da Cogeração de
Eletricidade a partir da Biomassa - Um modelo para o Estado de São Paulo,
tese de doutorado, Universidade de São Paulo, Escola Politécnica,1999.
Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB), Relatório
da qualidade do ar 2003, publicado em maio de 2004.
Congresso Nacional, Lei n
o
11.097 – Introdução do Biodiesel na Matriz
Energética Brasileira, 2005.
Costa, L.R, Biodiesel: Estratégias para Produção e Uso no Brasil, Relatório
Técnico apresentado à Promon Engenharia, 2005.
Deutsches Institute für Normung, Norma DIN EN 14214, Automotive fuels -
Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines - Requirements and test
methods, 2003.
Eletrobrás, página http://www.eletrobras.gov.br, acessada em Novembro de
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
101
.
2005.
Estill, L., Biodiesel Power - the Passion, the People, and the Politics of the
Next Renewable Fuel, 1
a
edição, New Society Publishers, Gabriola Island,
Canadá, 2006.
European Biodiesel Board (EBB), página http://www.ebb-eu.org, acessada
em Janeiro de 2005.
Finn, D., Biodiesel as a Renewable Fuel for GENSET Technology, anais do
16
th
Prime Power Diesel Inter-Utility Conference, 2003.
Giacosa, D., Motores Endotermicos, 3
a
edição, Editorial Cientifico – Medica,
1970.
Greene, A.B., Lucas, G.G., The Testing of Internal Combustion Engines, 1
a
edição, The English Universities Press Ltd., 1969.
Grupo de Trabalho Interministerial (GTI), A Viabilidade de Utilização de Óleo
Vegetal - Biodiesel como Fonte Alternativa de Energia, relatório final, Casa
Civil, Ministério dos Transportes, Ministério da Agricultura, Pecuária e
Abastecimento, Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio
Exterior, Ministério de Minas e Energia, Ministério da Fazenda, Ministério do
Planejamento, Orçamento e Gestão, Ministério da Ciência e Tecnologia,
Ministério do Meio Ambiente, Ministério do Desenvolvimento Agrário,
Ministério da Integração Nacional, Ministério das Cidades, 2003.
Haga, N., Vegetable Oil as Fuel in Diesel Generating Sets, anais do 10
th
International Cogeneration, Combined Cycle & Environment Conference and
Exhibition, Istanbul, maio de 2004.
Heywood, C.F., Internal Combustion Engine Fundamentals, 1
a
edição,
Editora McGraw-Hill,1988.
Kalligeros, S., Zannikos, F., Stournas, S., Lois, E., Anastopoulos, G., Teas,
C., Sakellaropoulos, F., An Investigation of Using Biodiesel/Marine Diesel
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
102
.
Blends on the Performance of Stationary Diesel Engine, Biomass &
Bioenergy Magazine, vol. 24, 2002, pp. 141 - 149.
King, B., About Diesel Fuel, página http://www.flashoffroad.com, acessada
em Julho de 2006.
Knothe, G., Krahl, J., Gerpen, J.V., The Biodiesel Handbook, 1
a
edição,
OACS Press, Illinois, 2005.
Knothe, G., Sharp, C.A., Ryan III, T.W., Exhaust Emissions of Biodiesel,
Petrodiesel, Neat Methyl Esters, and Alkanes in a New Technology Engine,
Energy & Fuels Magazine, vol. 20, 2006, pp. 403 - 408.
Laforgia, D., Ardito, V., Bidiesel Fueled IDI Engines: Performances,
Emissions and Heat Release Investigation, Bioresource Technology
Magazine, vol. 51, 1994, pp. 53 - 59.
Lora, E.E.S, Nascimento, M.A.R, Geração Termelétrica – Planejamento,
Projeto e Operação, volumes I e II, 1ª edição, Editora Interciência, Rio de
Janeiro, 2004.
Macedo, G.M., Macedo, J.A., Produção de Biodiesel por Transesterificação
de Óleos Vegetais, revista Biotecnologia Ciência e Desenvolvimento, vol. 32,
2004, pp. 38 - 46.
Martins, H., Teixeira, L.C, Balanço Energético da Produção de Óleos
Vegetais Transesterificados, Anais do III Congresso Brasileiro de Energia,
vol. 4, Rio de Janeiro, 1984, pp. 1642 - 1649.
Ministério das Minas e Energia, página http://www.mme.gov.br, acessada
em Novembro de 2005.
Núcleo de Assuntos Estratégicos da Presidência da República (NAE),
Biocombustíveis, Caderno número 2, 2005, pp 11 - 51.
Oliveira, L.B., Potencial de Aproveitamento Energético de Lixo e de
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
103
.
Biodiesel de Insumos Residuais no Brasil, tese de doutorado, COPPE/UFRJ,
Programa de Pós-Graduação de Engenharia da Universidade Federal
Fluminense, 2004.
Operador Nacional do Sistema, página http://www.ons.org.br, acessada em
Novembro de 2005.
Pahl, G., Biodiesel - Growing a New Energy Economy, 1
a
edição, Chelsea
Green Publishing Company, Vermont, 2005.
Parente, E.J.S., Biodiesel: uma Aventura Tecnológica num País Engraçado,
relatório final, 2003.
Pereira, R.H., Avaliação Experimental e Previsão do Desempenho de
Motores Diesel Consumindo Gás Natural, tese de doutorado, PUC-Rio,
Departamento de Engenharia Mecânica, 2006.
Peres, J.R.R., Insumos Oleaginosos para o Biodiesel, Anais do 1º Simpósio
de Biodiesel do Estado do Paraná, Londrina, 2003.
Portal do Biodiesel, página http://www.biodiesel.gov.br, acessada em Junho
de 2006.
Petrovsky, N., Marine Internal Combustion Engines, Mir Publishers, 1975.
Rangel, J., BR amplia venda de Biodiesel, Jornal OGLOBO, 18 de maio de
2006.
Rede Baiana de Biocombustíveis, página
http://www.redebaianadebiocombustiveis.ba.gov.br, acessada em Junho de
2006.
Ribeiro, S.K., Santos, M.P.S.S., Balassiano, R., Almeida, A.F.S., D´Agosto,
M.A, O Uso do Biodiesel no Brasil - Efeitos na Atividade de Distribuição de
Combustíveis, relatório final, COPPE/UFRJ, Programa de Engenharia de
Transportes, 2004.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
104
.
Santos, N.O., Termodinâmica Aplicada às Termelétricas – Teoria e Prática,
1ª edição, Editora Interciência, Rio de Janeiro, 2000.
Schumacher, L.G., Borgelt, S.C., Fosseen, D., Goetz, W., Hires, W.G.,
Heavy-Duty Engine Exhaust Emission Tests Using Methyl Ester Soybean
Oil/Diesel Fuel Blends, Bioresource Technology Magazine, vol. 57, 1996, pp.
31 – 36.
Sulgas, página http://www.sulgas.rs.gov.br, acessada em Agosto de 2006.
Tavares, M., Jungblut, C., Combustível Verde-Amarelo, Jornal O GLOBO, 4
de Fevereiro de 2006.
Taylor, C.F., Taylor, E.S., The Internal-Combustion Engine, Textbook
Company,1961.
Torres, E.A., Aguiar, L.M.G., Lima, P.F., Correia, P.R.S., Barata, E., Estudos
de Avaliação de Alternativas para Queima de Óleos Pesados em Usinas
Termoelétricas a Base de Motores Diesel, relatório final, Universidade
Federal da Bahia, Escola Politécnica da Bahia, 2005.
Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP), Biodiesel
Production and Marketing in Germany, relatório, 2005.
Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP), página
http://www.ufop.de, acessada em Janeiro de 2006.
United States Government Department of Energy, Biodiesel Handling and
Use Guidelines, 2004.
Wärtsilä Corporation, Power Plants Product Programme, catálogo, 2004.
Wylen, G.V., Sonntag, R., Borgnakke, C.; Fundamentos da Termodinâmica
Clássica, tradução da 4ª edição americana, Editora Edgard Blücher Ltda.,
São Paulo, 1995.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
105
.
Apêndice I - O Motor Diesel, seu inventor e o óleo diesel
Rudolf Christian Karl Diesel nasceu no dia 18 de Março de 1858 em Paris.
Em 1870 a França declarou guerra contra a Prússia e os Diesel, assim como
qualquer um de origem germânica, começaram a ser vistos como suspeitos e
indesejados. A família então migrou para a Inglaterra onde Rudolf pode finalizar
seus estudos na London School.
Aos 14 anos, já na Alemanha, decidiu seguir a carreira de engenheiro e
mesmo após o fim da guerra franco-prussiana ter terminado e sua família ter
voltado a viver em Paris, Rudolf decidiu continuar na Alemanha para continuar
seus planos.
Em outubro de 1873 entrou em um programa de engenharia mecânica em
Augustburg. Durante seu curso, em uma aula no laboratório de física, Rudolf viu
um equipamento ‘‘misterioso’’ que certamente chamou bastante sua atenção. O
equipamento consistia em um pequeno cilindro fabricado em vidro, no qual ar
era substancialmente comprimido. Com o aumento da pressão no cilindro,
ocorria um aumento na temperatura e podia ser visto uma faísca através do
vidro.
Uma vez graduado, Rudolf ganhou uma bolsa da Technische Hochschule
München - Escola Técnica de Munique, mas também conhecida como Instituto
de Tecnologia de Munique. Lá ele teve contato com o professor Carl Von Linde,
quem desenvolveu o primeiro refrigerador por compressão de amônia eficiente e
confiável. Ainda em Munique, Diesel começou a considerar seriamente a
possibilidade de desenvolver o que ela chamava de ‘’heat engine’’, onde não
seria necessária uma centelha para iniciar uma combustão, assim como
acontecia no misterioso experimento do laboratório de física.
Naquele momento a fonte principal de energia das indústrias, eram
motores a vapor e a uma baixa eficiência – algo abaixo de 10% e extremamente
caros e conseqüentemente favoreciam as grandes empresas. Motivado por uma
consciência social, talvez potencializado pelas dificuldades que sua família havia
passado, e utilizando os conhecimentos adquiridos em engenharia e
termodinâmica, começou a trabalhar no projeto de um novo e revolucionário
motor.
Após a graduação no Instituto de Tecnologia de Munique, em 1880, Rudolf
Diesel foi contratado pela grande e sólida empresa Gebrüder Sulzer
Maschinenfabrik – fábrica de máquinas dos irmãos Sulzer. Nesta fábrica,
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
106
.
localizada em Winterthur, Suíça, ele teve bastante experiência em mecânica
industrial, mas logo voltou a Paris, onde o antigo professor Carl Von Linde havia
arranjado para ele um emprego em uma nova fábrica de refrigeradores que
estava sendo construída. Ganhando experiência em refrigeração, em 1881
Diesel obteve sua primeira patente na área: uma máquina de fazer gelo. Com
esta patente começou a procurar um fabricante para sua idéia e logo entrou em
acordo com Maschinenfabrik Augusburg, conhecida hoje como Maschinenfabrik
Augusburg-Nuerenberg, ou simplesmente MAN AG. Em 1883 começou a
fabricar seu invento e no mesmo ano casou com Martha Flasche.
Em 1890, Diesel e sua esposa e três filhos voltaram para a Alemanha,
desta vez a cidade foi para Berlim, onde começou a desenvolver o projeto do
motor a combustão, o qual foi patenteado em 28 de Fevereiro de 1892. No ano
seguinte ele publicou o famoso paper ‘’Theory and Construction of a Rational
Heat Engine to Replace the Steam Engine and Conteporary Combustion
Engine’’.
O primeiro protótipo, construído em 1893, consistia em um motor de um
único cilindro e que funcionou inicialmente com kerosene e depois com gasolina
e na seqüência outros combustíveis também foram experimentados.
Após a construção de outros protótipos e algumas participações em
exposições internacionais, o invento de Rudolf Diesel se tornou um sucesso e
mundialmente conhecido.
Nos seus últimos anos de vida Diesel era inquestionavelmente um defensor
do uso de combustíveis renováveis, em 1911 ele disse ‘’...the diesel engine can
be fed with vegetables oils and would help considerably in the development of
agriculture of the countries which use it’’ (Pahl, 2005).
Apesar do crescente domínio dos combustíveis derivados do petróleo,
Diesel continuou acreditando nos combustíveis renováveis e em discurso
acontecido em 1912 em Saint Louis, Missouri, quando estava descrevendo
recentes mudanças nos atomizadores de combustível para serem utilizados nos
seus motores e possibilitando então a utilização de outros óleos vegetais como
óleo de amêndoa, dendê e outros; ele disse célebre frase: ‘’...the use of
vegetable oils for engine fuels may seems insignificant today, but such oils may
become, in the course of time, as important as petroleum and coal-tar products of
the present time’’(Pahl, 2005).
Ainda neste ano, um antes da sua trágica morte (nota: A morte de Rudolf
Diesel é cercada de mistério. Ele estava navegando da Atuérpia, Bélgica para
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
107
.
Harwich, Inglaterra e acompanhado de outros 2 tripulantes. Diesel
misteriosamente desapareceu durante a noite. Por ter sido uma noite
relativamente calma, a hipótese de acidente foi descartada e rapidamente a
imprensa levantou a hipótese de ele ter sido assassinado pelo Serviço Secreto
Britânico ou por agentes ligados a grandes companhias de petróleo. A imprensa
americana sugeriu que ele havia sido executado pelos alemãs, como traidor,
para assegurar os segredos da última promessa bélica: os U-Bolts. A verdade é
que não se pode garantir que, por exemplo, não aconteceu suicídio. (Pahl, 2005)
já eram mais de 70.000 motores diesel operando em todo o mundo, mas por
causa das características de tamanho e peso eram praticamente restritos á usos
estacionários como em fábricas ou em plantas de geração de energia.
Apesar de seu motor ter sido originalmente projetado para queimar
diversos óleos vegetais já citados ou ainda outros combustíveis como óleo de
baleia ou óleo de cânhamo, Rudolf Diesel optou por utilizar querosene como
combustível primário, por causa do seu baixo custo e grande abundância que
eram praticados naquela época.
No começo do século XX a indústria bélica, motivada pelo crescente temor
de novas guerras começou a equipar seus navios e submarinos, que eram a
mais nova e promissora ameaça aos países inimigos; impulsionou a já fortíssima
indústria do petróleo a desenvolver um combustível menos volátil que a
querosene ou mesmo a gasolina para ser armazenado e transportado nas
embarcações com mais segurança.
Foi desenvolvido então um combustível, sub produto do refino da gasolina
e passou a ser chamado de óleo diesel. Os motores desenvolvidos por Rudolf
Diesel foram então modificados para funcionar com este novo e poluente
combustível derivado do petróleo. O novo motor, infelizmente, se afastava cada
vez mais do objetivo inicial do seu inventor que era para ser utilizado com
combustíveis limpos e renováveis, pois o casamento do motor com o novo
combustível foi bem feito e as vendas cresciam exponencialmente. Parecia que
o sonho ecológico e social de Rudolf Diesel estava cada vez mais longe de ser
realizado.
Embora naquele momento mais tímidos, os experimentos em cima da
utilização de óleos vegetais não foram completamente abandonados. Por volta
dos anos 40, diversos experimentos foram conduzidos especialmente nas
colônias dos países Europeus, como na África. Durante a segunda guerra
mundial, óleos vegetais eram utilizados como combustíveis alternativos quando
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
108
.
o suprimento de combustíveis derivados de petróleo era interrompido. Mas com
o fim do conflito e com o refortalecimento do suprimento dos combustíveis
minerais e a preços novamente baixos, as pesquisas com óleos vegetais
praticamente foram interrompidas, até a década de 70.
Embargo do petróleo e a retomada das pesquisas em combustíveis verdes
No dia 6 de outubro de 1973, o exército Egípcio atacou Israel através do
canal de Suez enquanto simultaneamente forças militares Sírias atacavam pelo
norte. O exército de Israel foi pego de surpresa recuou, mas após ter recebido
apoio militar de outras nações como os Estados Unidos, eles contra-atacaram e
expulsaram os invasores de seu território e adicionaram terras daqueles ao
território de Israel. Um acordo de paz foi concluído em Novembro e as Nações
Árabes sentindo-se humilhados pelas perdas prepararam uma retaliação as
nações ocidentais que haviam dado suporte a Israel.
A Organização dos Países Exportadores de Petróleo – OPEC
(“Organization of Petroleum Exporting Countries’’) iniciou um embargo de
petróleo aos países ocidentais, entre eles os Estados Unidos. O embargo teve
conseqüências dramáticas as economias de diversos países espalhados pelo
mundo pois o preço da energia teria sido inflacionado. Depois de uma noite o
preço do barril de petróleo subiu de US$3 para US$5 e ao final de 1974 já estava
em US$14 (Pahl, 2005). O caos estava decretado nos países desenvolvido e
extremamente dependentes de petróleo, o mundo ocidental estava vivenciando
uma grande recessão econômica.
Em 1979, com a revolução do Irã o mundo novamente foi exposto a uma
nova crise de energia. O preço do barril do petróleo, novamente dobrou em um
curto espaço de tempo.
Motivado por estas crises, os países mais atingidos retomaram a pesquisa
e desenvolvimento em combustíveis alternativos. Uma das linhas de ataque foi a
do etanol, que já havia sido bastante desenvolvido principalmente durante a
Primeira e Segunda Guerra mundial. Nestes períodos de guerra o etanol era
utilizado como aditivo e/ou suplemento aos combustíveis derivados do petróleo.
Com o fim da Segunda Guerra Mundial e com o restabelecimento do baixo preço
do petróleo, as usinas de etanol perderam competitividade e fecharam,
encerrado-se então a utilização de blends de gasolina e etanol, que era
chamado naquela época de gashol. No início da década de 80, em reposta as
crises do petróleo, o gashol foi reintroduzido nos Estados Unidos.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
109
.
Paralelamente, outra linha de pesquisa se desenvolvia novamente em cima
dos combustíveis vegetais alternativos ao óleo diesel.
Experimentos na Áustria, África do Sul e nos Estados Unidos
Logo após a crise de energia de 1973 importantes programas de pesquisa
se instalaram pelo mundo, como na Áustria, África do Sul e nos Estados Unidos
O programa da Áustria se baseava tipicamente em misturar óleos vegetais
em óleo diesel, formando um blend. Os experimentos essencialmente consistiam
em testar diferentes concentrações nos blends em um pequeno e velho trator.
Os primeiros resultados dos testes mostraram que a viscosidade do óleo vegetal
deveria ser reduzida e que a sua utilização aumentaria consideravelmente os
custos de manutenção dos motores devido a excessiva quantidade de depósitos
nos componentes do motor. Ficou constatado também que no caso da utilização
de óleos vegetais por um longo período de tempo, os motores poderiam ser
condenados pelo desgaste. Concluíram que o combustível deveria ser adaptado
para o motor diesel ou o motor deveria ser adaptado ao combustível, “decidimos
adaptar o combustível”, relata Manfred Wörgetter, do Instituto Federal de
Engenharia Agrícola (Bundesanstalt für Landtechnik – BLT) (Pahl, 2005). Em
outubro de 1981 conversando com pesquisadores Sul Africanos, durante uma
conferência sobre energia em Berlim, que haviam testado com sucesso um éster
metílico de girassol, ficou convencido que produzir ésteres metílicos a partir de
óleos vegetais seria uma excelente rota de pesquisa. A discussão sobre a
utilização de éster metílico de girassol durante esta conferência é vista como o
marco do que anos depois seria conhecido como Biodiesel.
Nos Estados Unidos, aproximadamente na mesma época, o Professor
Charles Peterson da Universidade de Idaho iniciou testes misturando óleo
vegetal no óleo diesel. Após alguns testes, assim como os pesquisadores
Europeus e Africanos, concluiu que para se utilizar com sucesso óleos vegetais
como combustíveis, ou estes ou os motores deveriam ser adaptados. Ele e seus
colegas de pesquisa também concluíram que o melhor seria atacar o
combustível. Testes com óleo de canola esterificado (Biodiesel) foi um marco
real do início de experimentos com Biodiesel na universidade, atestou o
Professor Peterson.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
110
.
Apêndice II - Custo de produção do Biodiesel
Para se chegar aos custos do Biodiesel, o MDIC (2003) fez as seguintes
considerações:
a) Foi considerado o custo de produção do grão, incluída a margem
de retribuição do produtor. No caso da soja, foi considerado o valor comercial da
saca e subtraído o valor comercial do farelo.
b) Foi subtraído o valor comercial dos sub-produtos (farelo ou torta e
glicerina) sujeito à queda por aumento de oferta. No caso do dendê, a torta
resultante de seu processamento, não foi considerado pois não tem valor de
mercado para se usar como referência, embora seja possível de aproveitamento.
c) Foi considerado custo para a moagem de aproximadamente US$
12,00/tonelada, para a soja pois esta matéria prima trabalha com este custo para
a chamada “crush-margin” (custo para moagem). Foi considerado que para os
demais produtos, os custos não devem ser muito diferentes disso.
d) Os óleos vegetais, como insumo para Biodiesel, foram
considerados isentos de tributos.
Sob essa metodologia, o Biodiesel B100, isento de tributos federais (CIDE
e PIS/COFINS) e estadual (ICMS), apresenta os seguintes custos de produção:
Produto Custo de produção (R$/litro)
Sem impostos
Biodiesel B100 – Soja 0,902
Biodiesel B100 – Girassol 0,645
Biodiesel B100 – Mamona 0,761
Biodiesel B100 – Dendê 0,494
Custos de produção de Biodiesel, isentos de tributos federais e estaduais Fonte: MCDI (2003)
Tomando-se por base o preço ao consumidor de um litro de diesel mineral
de R$ 1,397 em 2003
[7]
, A adição de 5% de Biodiesel B5 poderia levar a duas
situações distintas: com e sem isenção tributária.
Se a tributação fosse cobrada integralmente na venda do B5, haveria um
aumento nos preços de venda de 0,72%, se a matéria-prima utilizada fosse a
soja, e de 0,21% se a oleaginosa fosse a mamona. Usando-se girassol e dendê,
haveria redução de 0,21% e 0,72%, respectivamente.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
111
.
Na situação inversa, se houvesse isenção tributária, os preços de venda
poderiam diminuir em 2,29% (dendê); 1,79% (girassol); 1,36% (mamona) e em
0,86% (soja), mas acarretaria numa considerável perda de arrecadação.
Neste cenário, o MCDI (2003) fez também simulações para se verificar
quanto seria esta perda de arrecadação por parte da União e Estados. Foi
admitido no estudo que 95,5% do consumo de diesel para uso geral fosse
atendido pela mistura B5 e que 30% das máquinas agrícolas, que representam
15% do consumo nacional, passariam a utilizar B100, haveria perda de
arrecadação da ordem de 9,3%, atingindo a cifra de R$1,37 bilhão, repartida
entre a União (55%) e os Estados (45%); divididos da seguinte maneira:
Uso Impostos Federais (MR$) Impostos Estaduais (MR$)
Uso geral
(95,5% com B5)
392 315
Uso em máquinas agrícolas
(30%x15% com B100)
369 296
Perda de arrecadação devido à isenção tributária do Biodiesel, cenário 1. Fonte: MCDI (2003)
Em um segundo cenário foi admitido que transporte metropolitano
passaria a ser atendido com a mistura B5 e que 30% das máquinas agrícolas,
passariam a utilizar B100, a perda de arrecadação neste caso passaria a ser de
5,8% (R$ 857 milhões), onerando a União e os Estados nos mesmos
percentuais de 55% e 45%, respectivamente.
Uso Impostos Federais
(MR$)
Impostos Estaduais (MR$)
Diesel metropolitano
(27% x 95,5% com B5)
106 86
Uso em máquinas agrícolas
(30%x15% com B100)
369 296
Perda de arrecadação devido à isenção tributária do Biodiesel, cenário 2. Fonte: MCDI (2003)
[7] As análises de impactos econômicos da introdução do Biodiesel na matriz energética nacional foram
referenciadas no preço vigente de realização do diesel mineral que se encontrava influenciado pelas
cotações do petróleo na ordem de US$ 29/barril
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
112
.
Apêndice III – Estimativa da temperatura de exaustão para diferentes
combustíveis
Canakci et al (2006) mediram a temperatura dos gases de exaustão para
um motor operando com óleo diesel #2 puro e a diferentes misturas de Biodiesel
de óleo de soja (BSO) e Biodiesel de gordura (BYG). O resultado (figura abaixo)
mostra que, com o aumento da concentração de Biodiesel na mistura, aumenta a
temperatura dos gases de exaustão.
O motor testado foi um John Deere 4276T, quatro cilindros, quatro
tempos, turbo alimentado, com injeção direta de combustível, com potência
máxima de 57,1 kW (@2100 rpm). Todos os testes foram realizados a carga total
(100%) a uma velocidade igual a 1400 rpm, com torque igual a 257,6 Nm.
.
Efeito na variação da temperatura dos gases de exaustão ao se alterar a concentração de
Biodiesel na mistura com óleo diesel.
Fonte: Canakci et al, 2005
A partir deste gráfico pode-se estimar a temperatura dos gases de exaustão
no caso de operação do motor com 100% de BSO e BYG.
Pares de valores do gráfico acima foram imputados no programa Microsoft
Excel. Com esta ferramenta pôde-se desenhar a linha de tendência e, então,
determinar a equação (abaixo) que melhor descreve o comportamento da
temperatura de exaustão em função da concentração de Biodiesel na mistura.
Para o primeiro caso (BSO) a equação encontrada é a seguinte:
T [
0
C]= 0,147(%
BSO
) + 803,28
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
113
.
Para para o segundo caso (BYG) é:
T [
0
C]= 0,213(%
BYG
) + 803,50
Com estas equações pode-se calcular, aproximadamente, as temperaturas
dos gases de exaustão para aquele motor operando com Biodiesel puro, que são
respectivamente:
T
100% de BSO
= 818,0 (
0
C)
T
100% de BYG
= 824,8 (
0
C)
Por outro lado, Giacosa (1970) cita que, a partir do Ciclo Diesel teórico
(padrão ar), é possível calcular a temperatura de exaustão (T
4
), a partir da
equação abaixo:
k
3
4 1
2
v
T =T ( )
v
onde T
1
é a temperatura de admissão e a razão
3
2
v
( )
v
é a razão de corte
(“ρ” processo de expansão com adição de calor) e k é igual a:
p
v
c
k=
c
Com isso tem-se que:
k k
3
4 1
2
v
T =T ( )
v
ρ
=
Sabendo-se qual é a temperatura de admissão do motor (temperatura
ambiente), e ao se determinar como a razão de corte varia com a troca do
combustível, pode-se calcular qual será a temperatura dos gases de exaustão
com o novo combustível. Supondo que ambos os combustíveis sejam injetados à
mesma taxa (
m
•
), isto é, que a bomba injetora não tenha sido alterada, se o
combustível substituto tiver menor poder calorífico, mais tempo (ângulo do eixo
virabrequim) será necessário para injeção de combustível, para manter
constante a potência mecânica. Com isso conclui-se que a razão de corte é
inversamente proporcional ao poder calorífico do combustível, ou seja:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
114
.
1 2
2 1
comb comb
comb comb
ρ PCI
=
ρ PCI
E com isso tem-se, que:
2
1 2
1
comb
k
4,comb 4,comb
comb
PCI
T =T ( )
PCI
Considerando o experimento de Canakci et al (2006), e o combustível 1
como sendo o óleo Diesel #2 com poder calorífico igual a 42.613 kJ/kg, pode-se
estimar a temperatura de exaustão quando utilizado o Biodiesel BSO e BYG.
Para o caso, Petrovsky (1975) sugere usar, ao invés de k=1,4 (ar), utilizar um
expoente politrópico com valor entre 1,15 e 1,30. Com isto as temperaturas dos
gases de exaustão estimadas ficam sendo:
T
100% de BSO,teórico
= 881,87 (
0
C)
T
100% de BYG,teórico
= 890,65 (
0
C)
Estes valores são, respectivamente, 7,8% e 7,9% superiores aos estimados
a partir dos resultados de Canakci et al (2006).
Não ausência de dados específicos sobre o motor analisado na presente
dissertação utilizando diferentes combustíveis e utilizando a formulação acima,
pode-se estimar as temperaturas dos gases de exaustão, como se segue:
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
115
.
Combustível
Temperatura estimada dos
gases de exaustão (
o
C)
OCA1
317,0
OCA2
324,9
OCB1
304,9
OCB2
306,2
Biodiesel de Canola,
Rota metílica
375,4
Biodiesel de Soja,
Rota metílica
373,9
Biodiesel de Girassol,
Rota metílica
352,7
Biodiesel de Dendê,
Rota etílica
341,7
Biodiesel de Mamona,
Rota etílica
332,2
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0210215/CA
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo