Livro Eco_lógicas Mercosul 2010/2011 PT by Instituto ideal

PatrocĂnio

Eco_Lógicas Concurso Mercosul de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética

Trabalhos Premiados

Florianópolis 2012

Quorum Comunicação Rua Lauro Linhares, 2123 Trindade Center Torre A, Sala 410 CEP 88036-002 - Florianópolis/SC Fone/fax: (48) 3334 4555 agencia@quorumcomunicacao.com.br www.quorumcomunicacao.com.br

E17 Eco_lógicas : Concurso Mercosul de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética : trabalhos premiados / Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina. – Florianópolis : Quorum Comunicação, 2012. 156 p. Inclui bibliografia 1. Energia – Fontes alternativas. 2. Energia – Aspectos ambientais. 3. Recursos naturais renováveis. CDU:620.9

Catalogação na publicação por Onélia S. Guimarães CRB-14/071

COMISSÃO ORGANIZADORA Fátima Martins Mauro Passos Paula Scheidt Manoel

COMISSÃO JULGADORA Dr. Ricardo Rüther - PhD em Energia Solar. Professor do Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina. Professor do Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de Santa Catarina e integrante do Laboratório de Eficiência Energética. Dr. João Tavares Pinho - Professor Titular da Universidade Federal do Pará, coordenador do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas - GEDAE e do INCT de Energias Renováveis e Eficiência Energética da Amazônia - INCT/EREEA. Pedro Osvaldo Prado - MSc. Ing Director del Grupo de Investigación en GeoTecnologías, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata. Marco Antônio Dalla Costa - Dr. Eng. Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Grupo de Estudo e Desenvolvimento de Reatores Eletrônicos. Wendell de Queiroz Lamas - Dr. Eng. - Post-doctoral Fellow on “Ethanol Production Chain”, Univ. Estadual Paulista - Department of Energy - Laboratory of Energy Systems Optimization, BIOEN-UNESP. Román Horacio Buitrago - PhD, da Universidad Nacional del Litoral (Argentina). Cícero Bley. Daniel Perciante.

PRODUÇÃO EDITORIAL Quorum Comunicação Coordenação: Gastão Cassel Direção de arte: Audrey Schmitz Schveitzer Tratamento de imagens e diagramação: Taís Andrade Massaro Impressão: Alternativa Gráfica

APRESENTAÇÃO

>>> O ano de 2012 apresenta-se como uma nova etapa de conscientização em prol da sustentabilidade ambiental. A iniciativa global Rio+20, Conferência das Nações Unidas que promoverá debates internacionais no Brasil, é a marca e ao mesmo tempo o compromisso com as mudanças. Para o Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina (IDEAL), também é um ano de boas expectativas.

Consolidamos, definitivamente, o nosso principal projeto de incentivo à pesquisa: o Concurso Eco_lógicas de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética. Na sua terceira edição, ultrapassa as fronteiras do Brasil e chega até os países vizinhos. Nessa caminhada incorporamos parceiros do Mercosul ao projeto, como o Centro de Integração Regional - Cefir, a Asociación de Universidades Grupo de Montevideo - AUGM, a Universidade Católica do Uruguai - UCU, o Escritório Regional de Ciência da Unesco para a América Latina e Caribe, e o Parlamento do Mercosul. Além dos estudantes de pós-graduação foram premiados alunos da graduação que apresentaram projetos de eficiência energética e energia alternativa em diferentes segmentos acadêmicos. As sete monografias premiadas estão publicadas nesta edição, e seus professores orientadores igualmente receberão um prêmio de incentivo à continuidade nas pesquisas. A obra será distribuída gratuitamente a universidades, centros de pesquisa, empresas de energia elétrica e órgãos governamentais dos quatro países do Mercosul. O concurso contou com o patrocínio da Itaipu Binacional, Tractebel e Petrobras. O apoio dessas empresas foi fundamental para o sucesso dessa iniciativa, que envolveu as academias de países comprometidos com o conhecimento, a sustentabilidade e a integração.

MAURO PASSOS Presidente do Instituto Ideal

SUMÁRIO

>>> Graduação Beñat Araucua, Silvia Bentancur, Matias Varón | Viabilidade para a geração de energia elétrica através do uso de resíduos florestais.

>>>

Estela María Riveros Rodas, Segundo Javier Amatte Mereles | Medidas de substituição eficiente de fontes de energia na República do Paraguai. >>> 31 Ignacio Ferrero | Produção de biodiesel a partir de microalgas como alternativa aos cultivos clássicos.

>>>

Lúcio Costa Proença | Utilização de digestores anaeróbios para o tratamento de resíduos orgânicos urbanos com aproveitamento energético do biogás em Florianópolis, SC.

>>>

>>> Pós-graduação Christophe J. J. Bello | Uso de sistemas solares fotovoltaicos para eletrificação rural no norte da Argentina em um contexto de crise energética mundial. Ignacio Vieitez Osorio | Transesterificação em álcoois supercríticos como alternativa para a produção de biodiesel.

>>>

115

Rodrigo Barichello | Pequeno condomínio de agroenergia a partir do biogás proveniente do tratamento de dejetos suínos: um estudo de caso no município de Tucunduva, RS. >>> 137

GRADUAÇÃO

>>> Viabilidade para a geração de energia elétrica através do uso de resíduos florestais Beñat Araucua, Silvia Bentancur, Matias Varón

RESUMO O trabalho descrito neste documento centra-se no estudo da factibilidade técnica e viabilidade econômico-financeira da instalação de usinas de geração de energia elétrica do entorno de 12 MWh a partir de resíduos florestais, atualmente subutilizados. O esquema de negócios baseia-se na comercialização de 10 MWh através de um contrato fixo com a empresa estatal de energia elétrica do Uruguai (UTE), e os restantes 2 MWh, através do Mercado Spot, desde que o mesmo apresente preços atraentes para a venda (caso contrário, essa energia cobre o autoconsumo da usina). O estudo de caso baseia-se na implementação dessa usina na localidade de Tranqueras, Departamento de Rivera, Uruguai. O investimento necessário situa-se em torno de 20.000.000 de dólares, e é possível estimar rendas anuais de 10.300.000 dólares. A rentabilidade esperada do projeto a partir do VPL é de 3.569.140 dólares, e a taxa interna de retorno situa-se em torno de 18%. Espera-se que esse tipo de projeto produza, em média, reduções certificadas de emissões comercializáveis equivalentes a 48.000 tCO2/ano, análise que é discutida no presente trabalho. A implementação de um projeto com essas características implica a utilização de aproximadamente 140.000 toneladas de resíduos florestais por ano, que, de outra forma, não seriam aproveitados. O presente trabalho compreende os estudos preliminares, estudos de engenharia e projeção do impacto ambiental, assim como os resultados da avaliação econômico-financeira. Palavras-chave: biomassa, energia renovável.

INTRODUÇÃO A urgente necessidade em âmbito mundial de gerar respostas no curto prazo no que diz respeito às consequências da mudança climática e à dependência de combustíveis fósseis faz com que a comunidade internacional inclua na agenda de trabalho a possibilidade de incorporar a biomassa1 como uma possível resposta para o problema. No caso particular do Uruguai, a situação energética apresenta-se com características semelhantes às do resto do mundo, dado que o país é um grande dependente de combustíveis fósseis. Por outro lado, existe um mercado crescente de consumo de energia elétrica, o que, somado com o fator anterior, faz com que o tema energético situe-se em um ponto central da estratégia do país nos próximos anos. Através de um consenso político nacional, foram elaboradas metas e objetivos que viabilizam a concretização de projetos vinculados à utilização de energias renováveis. Alguns desses acordos já foram executados pelos distintos órgãos envolvidos, sendo obtidos resultados muito bons. A atividade florestal no Uruguai ocupa grande parte da economia nacional, e os resíduos provenientes dessa exploração foram, durante décadas, considerados dejetos. A partir deste projeto, procura-se converter esses dejetos em matéria-prima para a geração elétrica, de modo a contribuir para a diversificação da matriz energética do Uruguai, ao mesmo tempo em que é mitigado o impacto ambiental pelo uso de energias não renováveis.

Contexto energético Matriz Elétrica Regional Na América Latina, a eletricidade representou 23% do consumo total de energia em 2007.2 Cinquenta e sete por cento da eletricidade foram obtidos a partir da utilização de centrais hidrelétricas, e 40%, por centrais térmicas, enquanto a energia nuclear alcançou 2,4%, e o restante das energias, 1,1%. As emissões de CO2 na região alcançaram 4,9% das emissões globais em 2007. As emissões per capita de CO2 são baixas em comparação com as dos países desen1 A biomassa é uma substância orgânica renovável, de origem animal ou vegetal (FUNDACIÓN FERREIRA ALDUNATE, 2009). 2 Último dado disponível (OLADE “ENERLAC - Revista de Energía - América Latina y Caribe”, 2010). 12

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volvidos da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE), mas tendem a aumentar devido ao crescimento econômico na região, assim como ao aumento significativo na exploração de petróleo e gás (ENERLAC, 2009).

Matriz Elétrica no Uruguai O sistema elétrico uruguaio contava, em 2010, com uma potência instalada de 2.450 MW e encontrava-se distribuído de acordo com a Tabela 1. Tabela 1 - Geração elétrica por origem no Uruguai Fonte

Potência (MW)

Hidráulica

1.544

Térmica

833

Renováveis não convencionais

Total do sistema

2.450 MW

Fonte: Workshop regional sobre Smart Grids, Eng. Lorena Di Chiara, DNETN, MIEM, 2011.

A potência instalada é superior à demanda máxima do sistema, que, em média, é de 1.100 MW, com picos de 1.750 MW, mas, devido à predominância da fonte hidráulica na matriz, é necessário contar com capacidade térmica de respaldo em caso de escassez do recurso hídrico. Em 2010, a fonte hidráulica representou 87,8% da produção total, seguida pela energia térmica, com 7,4%, biomassa, 2,5%, eólica, 0,7%, e o restante, 1,6%, correspondeu à energia elétrica proveniente de importação. A energia elétrica anual demandada no Uruguai é de aproximadamente 9.300 GWh. O consumo de eletricidade tem aumentado, situando-se em 2010 em cerca de 2.700 KWh/homem. Estima-se que em 2018 o consumo energético crescerá 28% com relação a 2010, e por isso é fundamental contar com investimentos em infraestrutura voltados ao sistema energético e maximizar todas as fontes autóctones que permitam satisfazer a demanda, entre as quais se encontram os dejetos de campo.3 Mediante um plano nacional respaldado por todo o setor político, determinou-se uma série de metas, objetivos e ações no médio e curto prazos, entre os quais se destacam: • obter 15% de geração elétrica a partir de fontes renováveis; • espera-se que no mínimo 30% dos resíduos agroflorestais sejam utilizados com fins de geração de energia; 3 Estado actual y perspectivas de la generación eléctrica en base a fuentes de energías renovables no tradicionales en Uruguay, UTE, 2008. 13

• no que se refere aos combustíveis, foi fixado como meta que no mínimo 10% do combustível utilizado no transporte de cargas e passageiros provenha de fontes de energias alternativas; • em matéria de geração de energia eólica, está prevista a instalação de mais de 250 MW; no que se refere à biomassa, estima-se ter uma capacidade instalada de 200 MW, enquanto que 50 MW proviriam de instalações mini-hidráulicas; e • peso do petróleo na matriz energética menor que 45%. No processo para longo prazo (2025 e além), estão: • encerrar a exploração de gás e petróleo; • realizar testes combustíveis fósseis autóctones (xistos); • processo de incorporação de novas fontes muito avançado; • cultura de eficiência energética; e • empresas locais produzindo insumos energéticos.

Base legal A Lei nº 14.694, de 1997, e sua posterior atualização, em 2002, estabelecida na Lei nº 16.832, determinam a formação do Sistema Elétrico Nacional.

Mercado Atacadista de Energia Elétrica O Mercado Atacadista de Energia Elétrica (MAEE) é regido pelo Regulamento, pelo qual é regulado, operado e administrado. Esse Regulamento foi elaborado pelo parlamento uruguaio em 2007. O documento pauta as diversas formas de relacionamento comercial entre a Administração do Mercado Elétrico (ADME) e os diferentes participantes do Mercado, assim como os requisitos para a participação efetiva no MAEE. Entre os principais objetivos do Regulamento estão, de acordo com a seção 1, título 1: “Estabelecer os princípios, procedimentos, critérios, direitos e obrigações referentes à programação, despacho e operação integrada do Sistema Interconectado Nacional (SIN) e a administração centralizada do Mercado Atacadista de Energia Elétrica”. O Despacho Nacional de Carga (DNC) é o órgão encarregado de fazer cumprir o Regulamento e seus anexos segundo determina o título 3 da seção 1. Por outro lado, o DNC encarrega-se de programar a operação do sistema para obter as garantias de fornecimento, otimização dos recursos de geração e alcançar os menores custos operacionais possíveis.

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O MAEE define o gerador como aquele agente que, sendo autoprodutor, vende ao MAEE um percentual maior que 50% de sua energia gerada. De acordo com o artigo nº 55, referente aos requisitos gerais para ser considerado autoprodutor, define-se que são aqueles agentes que contam com uma potência instalada de geração superior a 500 KVA, que consomem toda ou parte da energia que produzem e cuja energia anual gerada vendida ao MAEE supera 50% de sua geração anual. Por outro lado, definem-se como grandes consumidores aquelas empresas que têm potências contratadas superiores a 5 MW. A entrada de uma nova geração conectada ao sistema elétrico deve ser autorizada pelo Poder Executivo. O comercializador, de acordo com o Regulamento, tem três opções para vender ou comprar energia elétrica: • mercado de contratos futuros; • licitação; e • mercado Spot.

Editais para geração elétrica proveniente do setor privado Para que um gerador privado possa instalar-se, deverá obter autorização do Poder Executivo, cumprindo os requisitos dos artigos nº 53 e 54 do Regulamento do MAEE (Decreto nº 360/002) e de seu Decreto modificador nº 72/010. O Decreto nº 77/006 e seus complementos, os Decretos nº 397/007, 296/008 e 299/008, foram as ferramentas utilizadas para realizar os editais por parte da UTE para contratar 60 MW de potência de fontes renováveis não convencionais. Atualmente, o Decreto nº 367/010 e sua modificação de 5 de agosto de 2011 recomendam que a empresa estatal de energia elétrica – Administração Nacional de Usinas e Transmissões Elétricas (UTE) – celebre contratos especiais de compra de energia elétrica a partir de biomassa. O procedimento associado para efetivar a adesão a essa modalidade foi reunido pelos editais da UTE em seus documentos K42158 (potência inferior a 20 MW) e K42433 (potência superior a 20 MW e inferior a 60 MW), os quais foram mantidos abertos até 31 de dezembro de 2011.

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo O Uruguai ratificou a incorporação do país ao Protocolo de Kyoto na Lei nº 17.279, correspondente a 2001. Nessa ratificação, é incorporada a participação do Uruguai em projetos de redução dos níveis de gases do efeito estufa. O projeto poderá receber benefícios pela adesão do país a esse protocolo. Estima-se a comercialização de 48.000 tCO2/ano. 15

Desenvolvimento do projeto Mercado provedor de máteria-prima Definem-se como resíduos florestais de campo aquelas partes da árvore que não são utilizadas como produto principal, mas que constituem subprodutos, principalmente obtidos a partir dos processos de desbaste, poda e colheita. Segundo a Direção Nacional de Energia e Tecnologia Nuclear (DNETN), entre 10% e 15% da produção de madeira fica no campo como subproduto. Dentro desse percentual, 15% a 20%4 do total de resíduos em campo devem ser deixados no lugar de coleta a fim de conservar os nutrientes do solo, principalmente os subprodutos folhagem e casca. Para a estimativa da potência, tomam-se como hipótese: • umidade de 40% nos resíduos, o que implica um poder calorífico de 2.200 kcal/kg; • densidade de 952 kg/m3 para a espécie Eucalyptus globulus, destinado a polpa, Eucalyptus grandis, para serragem, de 718 kg/m3, e madeira de pinheiro com densidade de 635 kg/m3 para ambas as finalidades; • rendimento da usina de geração de 26%; • aproveitamento dos resíduos com fins energéticos de 100%; e • fator de utilização da usina de geração de energia elétrica de 75%. Tabela 2 - Máxima potência nacional possível de ser gerada (em MW) com base em resíduos provenientes do campo. Ano

Total de dejetos de campo para serragem

Total de dejetos de campo para polpa

Total geral

2008

117

2009

100

2010

2011

108

2012

2013

2014

2015

102

123

2016

107

130

2017

120

145

4 Esse valor dependerá de um estudo mais detalhado das características do solo e do cultivo. 16

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Ano

Total de dejetos de campo para serragem

Total de dejetos de campo para polpa

Total geral

2018

111

131

2019

2020

Fonte: relatório “Evaluación de la disponibilidad de residuos o subproductos de biomasa a nivel nacional”, MIEM (2010).

Localização Para a determinação da localização do empreendimento, define-se utilizar uma matriz quantitativa de acordo com a valorização de três variáveis consideradas fundamentais para a factibilidade do projeto: disponibilidade de matéria-prima; aceso à rede elétrica de média tensão; e aceso a estradas, rotas e vias férreas. Para realizar a análise, divide-se a totalidade do território nacional em cinco regiões, agrupadas em função da proximidade dos departamentos. Cada região é avaliada com uma pontuação de 0 a 3 em cada um dos atributos anteriormente mencionados. Caso alguma região seja pontuada em algum desses atributos com um valor inferior a 2, será excluída da posterior análise de microlocalização. Tabela 3 - Resultado da análise de macrolocalização das regiões consideradas. Quadro comparativo das distintas regiões para macrolocalização Disponibilidade de biomassa

Acesso à rede elétrica

Acesso à infraestrutura viária

TOTAL

Região 1: Montevidéu, Canelones, Maldonado, Rocha, Colônia, San José

Região 2: Treinta y Tres, Cerro Largo e Lavalleja

Região 3: Rivera, Artigas e Tacuarembó

Região 4: Salto, Paysandú, Río Negro e Soriano

Região 5: Flores, Florida e Durazno

Para a determinação da localidade dentro da região selecionada anteriormente, adota-se o critério de que todas as cidades compreendidas nessa região que se encontrarem em um raio superior a 90 km de coleta para o total de matéria-prima necessária para o projeto serão excluídas da análise. Além disso, todas as localidades que estiverem longe da rede elétrica também serão excluídas, devido ao alto custo de extensão da linha elétrica. A localidade deverá ter fácil aceso a rotas e caminhos, dado o alto custo de geração de infraestrutura viária para a entrada e saída de caminhões destinados ao transporte da matéria-prima. As variáveis utilizadas no estudo de microlocalização e sua correspondente ponderação são as seguintes: • disponibilidade de matéria-prima: 30%; • acesso à rede elétrica: 20%; • fonte de água fria e água potável: 20%; • acesso à infraestrutura viária: 15%; • mão de obra: 10%; e • proximidade da zona urbana e serviços: 5%. As localidades pré-selecionadas são: • Masoller: Departamento de Rivera; • Tranqueras: Departamento de Rivera; • Laureles: Departamento de Tacuarembó; e • Artigas: Departamento de Artigas. Tabela 4 - Resultado da análise de microlocalização das localidades consideradas. Quadro comparativo para microlocalização Fatores

Masoller

Tranqueras

Laureles

Artigas

Disponibilidade de matéria-prima

Acesso à rede elétrica

Fonte de água fria e água potável

Acesso à infraestrutura viária

Mão de obra

Proximidade a zona urbana

Total ponderado

2,1

2,8

1,7

Uma vez realizado o estudo, definiu-se que o empreendimento seria localizado nas proximidades da cidade de Tranqueras, no Departamento de Rivera.

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Leiaute da usina e principais obras civis

Figura 1 - Leiaute da usina.

As principais obras civis do empreendimento são: • depósito a céu aberto: 60 x 100 m - Laje de concreto de 15 cm de espessura; • depósito fechado: 20 x 30 x 20 m - Chapa galvanizada, parede interior de blocos (10 m); • silo horizontal: 20 x 15 x 15 m - Estrutura metálica; • sala de turbina: 35 x 15 x 15 m - Estrutura de concreto protendido; • vias: 10 m de largura para zona de caminhões (circulação em duplo sentido); e • represa: 100 x 3 m: 16.000 m3.

Engenharia de Processo

Matéria-prima Para a estimativa da demanda de matéria-prima, parte-se das seguintes hipóteses: • serão utilizados resíduos de campo provenientes do desbaste e poda de eucaliptos e pinheiros;

• • • • •

umidade de biomassa próximo a 50%; poder calorífico inferior de cerca de 2.100 kcal/kg em base úmida; eficiência teórica da central de 30,5%; geração de energia elétrica de 12 MWh; e geração de 12 MWh durante 100% do tempo.

Decidiu-se estimar a demanda de biomassa no cenário de hipótese máxima, dado que, na prática, a usina não poderá operar a 100% anualmente devido a paradas de manutenção. Para o cálculo da estimativa de biomassa, será utilizada a seguinte equação:

Para visualizar a magnitude e hectares necessários para a coleta, parte-se dos seguintes pressupostos: • 1 ha equivale a 20 m3 de madeira reflorestada; • A densidade da biomassa é de aproximadamente 0,8 t/m3 (considera-se madeira verde, portanto sua densidade não coincide com a considerada para o restante dos cálculos); e • entre 10% e 15% da madeira reflorestada ficarão no campo. Por sua vez, deverão ser deixados 20% desse valor para conservar os nutrientes da terra.

Os hectares necessários anualmente para o empreendimento são calculados a partir da seguinte equação:

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Para estimar a vazão de massa necessária para alimentar o gerador de vapor, é realizado o seguinte cálculo:

Esse valor encontrado significará uma vazão de massa de 15,8 t/h.

Disposição da matéria-prima Está prevista a entrada no prédio de 25 caminhões diariamente, recebidos em dois turnos de oito horas. Antes de ser descarregado, o caminhão passará pela balança e uma amostra do produto será analisada. Uma vez efetuada a descarga do caminhão, ele voltará a passar pela balança antes de retirar-se da usina. O fluxo da matéria-prima, uma vez introduzida no prédio, será desde o caminhão até o depósito a céu aberto, ou diretamente no alimentador localizado no depósito fechado (dependendo da análise da amostra). No caso do depósito aberto, a matéria-prima será empilhada em montes e, em seguida, acondicionada por meio de um trator com pá. A capacidade do depósito a céu aberto será de 30 dias, ou seja, estima-se um acúmulo aproximado de material de 11.400 toneladas, equivalentes a 32.000 m3. Por sua vez, deve ser estabelecida uma margem adicional de superfície para a operação do equipamento e pessoal. Do depósito a céu aberto, a matéria-prima será transferida com o trator até o depósito fechado, que terá uma capacidade de estoque de 5 dias. Nesse depósito, o acúmulo será de aproximadamente 2.000 toneladas, equivalentes a 5.700 m3. Por outro lado, haverá um estoque de matéria-prima em um silo horizontal. Esse silo tem como finalidade produzir uma mistura de cavacos com umidade adequada para abastecer a caldeira, podendo ser alimentado com cavacos do depósito fechado, do depósito aberto e cavacos recém-introduzidos na usina. Estima-se uma capacidade de acúmulo de 4 dias, o que significa aproximadamente 1.500 toneladas e um volume de 4.200 m3. O silo horizontal contará com uma esteira transportadora, que levará a matéria-prima até o alimentador da caldeira, o qual é projetado para alimentar a caldeira durante 30 minutos a carga plena. Será instalada uma máquina cortadora de cavacos junto ao depósito aberto para que, caso necessário, seja realizado o corte da matéria-prima na usina. Nesse caso, os cavacos serão transportados por meio de uma esteira transportadora até o depósito fechado. 21

Descrição do ciclo de trabalho O processo de geração de energia origina-se com a obtenção da matéria-prima proveniente de bosques situados em um raio de, no mínimo, 90 km da zona de localização do empreendimento. Uma vez que serão utilizados 100% da biomassa proveniente de resíduos do campo, antes de sua transferência à central deverá ser gerado um processo de corte de cavacos e compactação que se realizará in situ. Estando a matéria-prima apta a ser transportada, ela será colocada em caminhões para ser transferida à usina. Uma vez determinada a umidade e em função dos níveis de estoque do momento, será definida a disposição do resíduo florestal. Este pode ser armazenado a céu aberto, em um depósito fechado ou diretamente no silo.

Figura 2 - Ciclo de geração.

Será utilizado um gerador de vapor aquotubular, com queima direta, com pressão de trabalho de 45 bar e temperatura de 480 ºC. Uma fração de vapor a 7 bar é direcionada a um intercambiador aberto a pressão de 1,4 bar para preaquecer a água que entrará na caldeira, atingindo uma temperatura de 110 ºC. O restante do vapor dirige-se à segunda etapa da turbina para continuar sua expansão e, em seguida, finalizar no condensador. O vapor na turbina gera energia mecânica, que, em seguida, a partir de um gerador acoplado, será transformada em energia elétrica. Esta energia será injetada na rede de UTE por meio de um transformador, que elevará sua voltagem de 6,3 KV a 31,5 KV.

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A fonte fria que se utiliza para o processo será água tratada obtida de um sistema de poços semiartesianos. Devido ao fato de que a água obtida diretamente do poço não conta com as características apropriadas para a entrada no ciclo, ela deverá ser tratada em uma central de tratamento de água.

Avaliação do Impacto Ambiental (AIA) Foram identificados os possíveis impactos ambientais produzidos pelo efeito do estudo, construção, operação e abandono do projeto. É importante mencionar que o alcance do estudo abarca não apenas o prédio onde se situará a central de geração, mas também os prédios em que será realizada a coleta do resíduo florestal, da mesma forma que os caminhos que comunicam ambas as regiões. Divide-se o estudo nas diferentes etapas que constituem o projeto: • elaboração do projeto; • construção; • operação; e • abandono.

Modelo utilizado para a AIA O procedimento de AIA escolhido baseia-se no Modelo de Matriz Ação-Efeito de Leopold. São utilizados métodos qualitativos para avaliar os impactos gerados durante as etapas do projeto no ecossistema. Por outro lado, é realizada uma análise quantitativa para determinar os elementos que deverão ser observados com maior detalhamento. Os parâmetros avaliados na análise quantitativa são: sinal, intensidade, extensão, prazo de manifestação, persistência/duração e reversibilidade. A equação a ser utilizada para a ponderação do impacto (Im) que vincula as diferentes variáveis é dada pela seguinte relação: Im= S x(3xI+2xE+M+D+R)

Com o fim de dispor de valores que resultem mais fáceis de comparar, convém usar o valor da importância do impacto normalizado (Imn), que lineariza o valor entre -10 e +10.

Probabilidade de ocorrência do impacto Chama-se probabilidade de ocorrência (P) a probabilidade de que ocorra certo impacto provocado por determinada ação. Essa probabilidade é quantificada com valores entre 0 e 1, sendo 1 o valor que determina a certeza da ocorrência, e 0 o valor que indica uma probabilidade de ocorrência nula. Define-se como importância absoluta normalizada do impacto (Imnp):

Imnp= Imn x P Após a quantificação dos impactos, eles são classificados em função do valor de Imnp. Tabela 5 - Quantificação dos valores de Imnp de acordo com sua magnitude. Valor de Imnp

Classificação do impacto

Imnp > -3,5

Aceitável

-7,0<Imnp<-3,5

Crítico

Imnp<-7,0

Inaceitável

Para aqueles valores que se classificam como “inaceitáveis”, é desenvolvido um plano de ação que contém diversas ações, com o propósito de diminuir seu grau de impacto. Para os valores classificados como “críticos”, é desenvolvida uma série de medidas para controlar esses impactos, evitando, assim, que migrem de “críticos” para “inaceitáveis”. Aos impactos classificados como “aceitáveis” será prestada especial atenção para que sejam mantidos dentro de sua categoria.

Avaliação econômico-financeira Os 4 Ps do marketing A ferramenta que se utiliza para definir a estratégia comercial do projeto é denominada os “4 Ps do marketing”: • praça; • produto; • promoção; e • preço.

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Praça Decide-se gerar um contrato fixo com a UTE, e um percentual da geração será comercializado no Mercado Spot.

Produto Projeta-se a assinatura de um contrato com a UTE por um prazo de 20 anos, de acordo com o Decreto assinado pela Presidência da República em dezembro de 2010. No caso deste projeto, foi estabelecida a venda de 10 MWh de energia na forma de geradores despacháveis. Devido ao fato de que a central terá uma capacidade instalada de 12 MWh e de que o contrato será unicamente por 10 MWh, serão destinados os 2 MWh restantes à venda no Mercado Spot caso ele apresente valores de preços aceitáveis para o projeto (acima de 110 dólares/MWh). Se o Mercado Spot apresentar valores inferiores a esse preço, a energia será destinada ao autoconsumo (1,5 MWh).

Promoção A promoção é restrita à obtenção da licitação por parte da UTE, à certificação do projeto MDL e, eventualmente, ao estabelecimento de um entorno de operação amigável com a sociedade, entes reguladores, provedores de matéria-prima, entre outros.

Preço O preço estabelecido por licitação na modalidade de venda não sujeita a despacho é de 110 dólares/MWh, desde que se inicie a injeção de energia na rede antes de 31 de dezembro de 2014. Para projetar o preço do Mercado Spot, foi realizada uma análise dos preços que ele ofereceu nos últimos três anos, e se estabeleceu a conveniência para a entrada desde que o preço esteja acima de 110 dólares/MWh. No período considerado a partir desse valor, a central teria operado em média 230 dias por ano a um preço médio superior a 200 dólares/MWh. Embora 2011 conte apenas com valores do Mercado até junho, projeta-se o segundo semestre com o mesmo comportamento que o primeiro. De qualquer forma, para estimar a renda pela venda no Mercado Spot, optou-se por considerar um cenário conservador no qual se operaria somente 150 dias por ano a um preço médio de 150 dólares/MWh. Essa definição deve-se à dificuldade de estimar o comportamento desse mercado para os próximos 10 anos por falta de informação e por modificações no contexto de operação do mercado (precipitações, ampliação de potência instalada, entre outros).

Referência de cores: Preços superiores a 110 dólares/MWh; Preços entre 100 dólares/MWh e 110 dólares/MWh; e Preços inferiores a 100 dólares/MWh.

Figura 3 - Simulação de renda diária no Mercado Spot. Fonte: www.adme.com.uy

Estrutura organizacional O empreendimento empregará 25 trabalhadores de modo direto.

Organograma da empresa

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Investimentos O valor do investimento necessário é apresentado na tabela a seguir: Tabela 6 - Resumo do investimento necessário para o projeto. Ativos tangíveis Investimento

Custo total (dólares)

Terreno

100.000

Obra civil

2.587.686

Equipamento

14.126.761

Outros

16.880

16.831.327 Ativos intangíveis

2.065.761 Capital de trabalho

1.213.988

INVESTIMENTO TOTAL

20.111.076

Estimativa de custos

Custos de produção Tabela 7 - Resumo de custos de produção (anual). Custos de produção

Custos variáveis (dólares)

Mão de obra direta

158.684

Contribuição imobiliária

Depreciação de ativos fixos

1.545.436

Manutenção

84.157

Insumos: energia, óleo diesel, consumo de água e tratamento de água

1.230.049

Matéria-prima para cumprir o contrato com a UTE

3.954.614

Matéria-prima para o Mercado Spot

325.037

TOTAL

7.297.977

Custos de administração Tabela 8 - Resumo de custos administrativos (anual). Item

Custo anual (dólares)

Mão de obra indireta

224.946

Mão de obra administrativa

298.570

Insumos: telefone, conexão à Internet, papelaria

15.514

Depreciação de equipamento e mobiliário

3.376

Depreciação de ativos intangíveis

413.152

TOTAL

954.430

Custos financeiros Tabela 9 - Custos financeiros do projeto (anual). Imposto de patrimônio (1,5%)

Custo (dólares)

Custo fiscal per se

208.098

Custo fiscal do lado do investidor

229.288

Rendas anuais por vendas Ingreso por venta por contrato Ingreso por venta en Mercado Spot

Cantidad (MW/año)

Ingreso (MWh)

Ingreso anual (USD)

78.840

110

8.672.400

Cantidad (MW/año)

Precio (USD/MWh)

Ingreso anual (USD)

6.480

150

972.000

Cantidad (Ton CO2/año) Ingreso (USD/Ton CO2) Ingreso anual (USD) Ingreso por venta de bonos verdes

48.000

737.640

Avaliação do projeto O projeto será financiado através de fundos de capital próprio em 40% do total do investimento, incluindo o capital de trabalho, enquanto os 60% restantes serão financiados com um empréstimo. A taxa do investimento privado foi considerada como 12%, enquanto a taxa bancária foi considerada como 8%.

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Tabela 10 - Taxa de juros do capital misto. Financiamento misto Dólares

Taxa

Custo de oportunidade do investidor (ke)

8.044.430

12%

Empréstimo (kd)

12.066.646

Taxa de desconto

10%

Os benefícios obtidos do projeto encontram-se resumidos na tabela a seguir: Tabela 11 - Resultado de VPL e TIR para o fluxo de caixa do investidor. VPL

3.569.140 dólares

TIR

18%

Taxa de desconto ponderada

10%

Taxa de juros

Nº de pagamentos

Empréstimo

60%

Conclusões A demanda de energia aumenta ano a ano a uma taxa elevada, motivo pelo qual devem ser geradas políticas e ações nos âmbitos mundial e nacional para atendê-la. As energias renováveis sustentáveis e naturais aparecem como uma possível solução para enfrentar a problemática em nível energético, gerando maior independência do petróleo e contribuindo para a redução do efeito estufa. No Uruguai, observa-se um apoio importante por parte da atual administração pública para que ocorra a diversificação na matriz energética, com base em um forte respaldo ao desenvolvimento de projetos que impliquem a utilização de fontes de energia renováveis acompanhados de um plano estratégico de longo prazo e de consenso nacional. Os objetivos e metas energéticos no curto prazo estão sendo cumpridos, e observa-se uma boa projeção para o futuro. Na última década, foram concretizados projetos que permitem que o Uruguai amplie sua capacidade de potência instalada com base em energias renováveis. Existe uma base normativa clara em matéria de compra e venda de energia produzida por atores privados por parte da UTE, com trâmites transparentes e ágeis. Por outro lado, no âmbito acadêmico, vem-se trabalhando em pesquisa e desenvolvimento em temas energéticos com o apoio de profissionais capacitados. 29

É importante ressaltar a inovação para a qual aponta este projeto, ao basear sua geração de energia em resíduos florestais de baixo custo, que, caso não fossem aproveitados como recurso energético, não teriam valor de mercado.

Bibliografia CARBOSUR. Proyecto MDL Energía Renovable Tacuarembó: proyecto de generación de energía eléctrica (10MW) a partir de biomassa. Nov. 2008. Decreto nº 299-008 - Contratos especiais de compra de energia elétrica com provedores. Decretos nº 77-006; 397-007; 296-008, 354-009, 377-009, 367-010 e sua modificação em 2011 e 403-009 - Decretos que promovem a compra de energia elétrica a partir de fontes renováveis. DERES. Responsabilidad, eficiencia y sustentabilidad: un desafío a enfrentar con energia. Jul. 2008. ENERLAC. Revista de Energía - América Latina y el Caribe, v. 1, n. 1, Oct. 2009. FAROPPA, Carlos. Consultoría de apoyo al componente: fortalecimiento de la estrategia nacional energética 2030. Evaluación de la disponibilidad de residuos o subproductos de biomasa a nivel nacional. Set. 2010. FOCER. Fortalecimiento de la Capacidad en Energía Renovable para América Central Manual sobre Energía Renovable- BIOMASA. Costa Rica: Bunca, 2002. FUNDACIÓN FERREIRA ALDUNATE. Contexto energético regional y alternativas para Uruguay. 2009. Disponível em: <http://fundacionwilsonferreira. org/site/area-productiva/contexto-energetico-regional-y-alternativas-parauruguay/>. Acesso em: 10 set. 2011. MARTINEZ-AGAZZI-BONOMI-RUBIO. Gabinete productivo: cadena de valor (I). 2008. MIEM. Política Energética 2005-2030. 2008. MIEM. Reglamento del mercado mayorista de energía eléctrica. 2008. MIEM-DNETN. Energías alternativas. 2008. OLADE. Enerlac - Revista de Energía - América Latina y Caribe. 2010. UDELAR. Introducción a la regulación del Sector Eléctrico. 2010. 30

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GRADUAÇÃO

>>> MEDIDAS DE SUBSTITUIÇÃO EFICIENTE DE FONTES DE ENERGIA NA REPÚBLICA DO PARAGUAI Estela María Riveros Rodas, Segundo Javier Amatte Mereles

RESUMO A presente monografia expõe uma pesquisa referente a “medidas de substituição eficiente de fontes de energia na República do Paraguai”. O trabalho teve como objetivo identificar os delineamentos fundamentais para alcançar uma diminuição no consumo de lenha e diesel, e um aumento na penetração da eletricidade na matriz energética da República do Paraguai, por meio da análise de perspectiva energética. Para tanto, foi utilizado o software LEAP© (Long-range Energy Alternatives Planning System) para a elaboração de um modelo energético integral do Paraguai e a análise de perspectiva energética levando em conta diversos cenários: um cenário tendencial, no qual não se aplicam as mudanças, e cenários desejados, nos quais as principais medidas aplicam-se aos diferentes componentes do setor energético. As medidas de planejamento atuaram sobre a intensidade energética e sobre a participação que teve cada fonte de energia em alguns setores, por meio da implementação de medidas de eficiência energética. As medidas que foram selecionadas para ser implementadas são: “substituição das cozinhas tradicionais baseadas em biomassa por cozinhas mais eficientes no setor residencial rural”, “incorporação do trem a diesel” e “incorporação do trem elétrico”.

PALAVRAS-CHAVE: energia, substituição, eficiência.

ABSTRACT This work exposes a research about “measures of efficient substitution of energy sources the Republic of Paraguay”, the objetive of the work was to identify the fundamental outlines in order to achieve a reduction of the Wood and diesel consumption, as well as an increment of the electricity penetration into the energy matrix of the Republic of Paraguay, by means of a prospective energy analysis. The software LEAP© (Long-range Energy Alternatives Planning System) has 31

been used for developing a comprehensive and integral energy model of Paraguay as well as to perform prospective analysis of energy, by taking into account several scenarios: a baseline scenario, where no changes are applied, and alternatives scenarios, where key structural changes within the energy sector are analyzed. Planning measures were applied on the energy intensity and the share that had each energy source in some economic sectors by implementing energy efficiency measures. The measures were selected to be implemented are: “replacement of the traditional stoves based on biomass for efficient stoves in rural residential sector”, “incorporation of a diesel train” and “incorporation of an electric train” in the transport sector. KEYWORDS: Energy, Substitution, Efficiency

INTRODUÇÃO O tema abordado na presente monografia são as “medidas de substituição eficiente de fontes de energia na República do Paraguai”. O trabalho teve como objetivo identificar os delineamentos fundamentais para alcançar uma diminuição no consumo de lenha e diesel, e um aumento na penetração da eletricidade na matriz energética da República do Paraguai, por meio da análise de perspectiva energética. O Paraguai possui uma característica particular que o diferencia dos outros países em desenvolvimento, a saber, a relação que existe entre a capacidade energética baseada em energia hidrelétrica e o consumo final de eletricidade. Na matriz energética de 2008 elaborada pelo Vice-Ministério de Minas e Energia (VMME), foi determinado que, da energia gerada pelos recursos do país, 58% são de origem hidrelétrica. No entanto, apenas 14% da energia consumida é hidrelétrica, e 53% são de biomassa, em sua maioria produzida de maneira não renovável. Os 33% restantes representam os derivados do petróleo. Nesse contexto, essa estrutura e composição da matriz energética não podem ser consideradas sustentáveis. Segundo estudos do VMME, com base na metodologia Olade, o grau de sustentabilidade do sistema energético mostra debilidades específicas nos indicadores econômicos (produtividade) e de equidade (cobertura de necessidades básicas). Diante dessa realidade, surge a escolha do tema de pesquisa que busca dar resposta à seguinte pergunta: quais são as medidas, programas ou pautas necessários para alcançar uma matriz energética sustentável em 2030? 32

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CONTEXTO: EVOLUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA NO PARAGUAI O Paraguai, historicamente, caracteriza-se pelo consumo primário da biomassa com fins energéticos e pela importação de hidrocarbonetos para abastecer sua demanda de energia. A eletrificação do país, a cargo exclusivamente da Administração Nacional de Eletricidade (Ande), foi iniciada nos anos 1970. Na época, o esforço concentrava-se principalmente na eletrificação das zonas urbanas, e a maior parte da energia elétrica gerada ainda provinha de centrais térmicas, baseadas em combustíveis petrolíferos importados em sua totalidade. Durante essa fase, a expansão seguiu um ritmo de 9% por ano no número de usuários, até chegar, em 1990, a uma quantidade de cerca de 406.000 usuários, enquanto o número era de apenas 107.563 em 1975. No que se refere ao índice de cobertura do serviço de eletricidade, essa expansão traduziu-se em um incremento desde níveis em torno dos 16%, no início dos anos 70, até alcançar um nível de aproximadamente 50%, no final da década de 80 e começo da de 90 (PULFER, 2005). A construção das centrais hidrelétricas de Acaray, de Itaipu e, em seguida, de Yacyretá e, paralelamente, da rede de transmissão até os centros urbanos mais importantes no decorrer das décadas de 1980 e 1990, permitiu que se dispusesse da infraestrutura e quantidades de energia necessárias para impulsionar a eletrificação rural. Nesse contexto, foi somente no início da década de 1990 que começou a fase de eletrificação predominantemente rural baseada na expansão de linhas, principalmente de média tensão. O consumo de energia elétrica em um período de mais de 25 anos aumentou em cerca de 1.000%, de 500 GWh, em 1970, a 5.000 GWh por ano, em 1997 (PULFER, 2005). Como mencionado anteriormente, os grandes projetos hidrelétricos implementados na década de 70 marcaram a evolução da oferta interna bruta de energia no Paraguai. A oferta interna bruta de hidreletricidade registrada em 2006 foi, aproximadamente, 355 vezes superior à registrada em 1970 (ROLÓN, 2009).

(a)

(b)

Figura1 - (a) Evolução da oferta interna bruta de energia do Paraguai e (b) do consumo final de energia do Paraguai. Fonte: Vice-Ministério de Minas e Energia.

No entanto, o consumo final da energia elétrica não acompanhou a evolução da oferta interna bruta de hidreletricidade, dado que o consumo de eletricidade em 2006 foi somente 28 vezes superior ao registrado em 1970 (ROLÓN, 2009). Através dos gráficos acima, pode-se observar que existe um claro “desequilíbrio” energético a favor da biomassa, uma vez que, como antes, continua tendo um papel preponderante dentro da matriz energética do Paraguai, apesar de ser uma fonte de energia de baixa eficiência em comparação com a eletricidade. Portanto, pode-se observar que uma característica particular que diferencia o Paraguai dos outros países em desenvolvimento é a relação que existe entre a capacidade energética baseada na hidreletricidade e o consumo final de eletricidade.

METODOLOGIA Este trabalho de pesquisa exigiu um estudo experimental-descritivo. Foi utilizado o software LEAP© (Long-range Energy Alternatives Planning System, ou Sistema de Planejamento de Alternativas Energéticas de Longo Prazo). Ao longo da pesquisa, foram compilados dados existentes nas diferentes instituições públicas e privadas relacionadas tanto com o consumo quanto com a oferta das diferentes fontes de energia utilizadas no Paraguai. Para o bom desenvolvimento do trabalho, recorreu-se às seguintes revisões: fontes primárias, secundárias, eletrônicas e informáticas. O universo estudado foi constituído por: o Vice-Ministério de Minas e Energia (VMME), porque é o único órgão estatal que tem competências em todos os setores energéticos. Da mesma forma, foram compilados dados da Administração Nacional de Eletricidade (Ande), que é o órgão estatal encarregado do subsetor elétrico e desenvolve atividades de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, contando com dados detalhados dos diferentes setores de consumo de energia elétrica. Posteriormente, a Direção Nacional de Transporte (Dinatran) outorgou dados estatísticos, como o trajeto dos ônibus e a quantidade deles. Por sua vez, a Direção de Registro Automotivo proporcionou dados referentes à quantidade de veículos registrados no país por ano. Da Direção Geral de Estatísticas, Pesquisas e Censo (DGEEC), foram obtidos dados estatísticos e estudos a partir de documentações referentes à Pesquisa Permanente de Lares, o Censo de 2002, o Censo Econômico, etc. Para a obtenção de informações, foram utilizados os critérios de inclusão dos órgãos citados acima. Para o procedimento de coleta, foram utilizados o método de observação e as entrevistas aos órgãos acima citados. 34

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Os resultados das informações que foram compiladas junto ao VMME, Ande, Dinatran, Direção Geral de Registro Automotivo, DGEEC, entre outros, serviram de base para a elaboração do modelo energético integral e a posterior análise de perspectiva energética, que permitiram o delineamento de estratégias ou medidas de substituição eficiente de fontes de energia. O exame de cada variável foi realizado de modo individual. Tanto a tabulação como a análise dos dados obtidos foram realizadas aplicando-se os recursos do software Microsoft Excel© (versão 2010), apoiados na estatística descritiva e aplicação de medidas de frequência, tendência e dispersão.

Apresentação do software utilizado O software utilizado para a análise dos diferentes cenários e cujos resultados levaram a definir as medidas de substituição de energia mais apropriadas a implementar no Paraguai foi o Leap©, com a capacidade de proporcionar um suporte integrado e confiável para o desenvolvimento de estudos de planejamento energético integral e de mitigação de gases de efeito estufa (GEE). O Leap© é uma ferramenta que serve para modelar cenários energéticos e ambientais. Devido a sua estrutura flexível de dados, o software permite realizar profundas análises sobre especificação tecnológica e detalhes de consumo final. Utilizado atualmente por mais de 10.000 usuários distribuídos em 196 países, o Leap© foi desenvolvido pelo Stockholm Environment Institute (SEI-US), e a primeira versão data de 1980. No final da década de 90, o modelo foi atualizado, incorporando uma série de ferramentas de planejamento energético. Essa atualização foi realizada pelo SEI-US e por diversas instituições acadêmicas internacionais (COMMEND, 2010).

Elaboração do modelo energético integral em LEAP© Nesse contexto, foi elaborado no ambiente Leap© um modelo energético integral do Paraguai. Os cenários basearam-se em balanços integrais sobre a forma como se consome, transforma e produz energia no país, segundo uma gama de premissas básicas de população, desenvolvimento econômico, tecnologia, preços e outras características.

Fonte de dados Os dados utilizados para a elaboração do modelo energético integral do Paraguai foram obtidos das instituições citadas na metodologia. As principais fontes dos dados foram: a Compilação Estatística 1983 a 2006 da ANDE, os Balanços Energéticos do Paraguai 1970 a 2009 do VMME, o Relatório Econômico 2010 35

a 2011 e dados do PIB 1970 a 2009 do BCP, o Estudo de Demanda: Paraguai, Aplicação do Modelo Maed-Oiea, projeto RLA/0/040 do VMME, o Anuário Estatístico do Paraguai 2000 a 2009 da DGEEC, a Pesquisa Permanente de Lares 2004 a 2009 da DGEEC, Trípticos dos Resultados Finais do Censo Nacional de População e Moradia 2002 da DGEEC e do Anuário Estatístico de Transporte 2006, 2007 e 2009 da Dinatran, entre outros.

Estrutura No modelo energético, a estrutura da árvore de demanda de energia foi dividida nos setores de consumo de energia expostos na Figura 2. Da mesma forma, a estrutura da árvore de transformação de energia pode ser observada na mesma figura.

(a)

(b)

Figura 2 - (a) Estrutura da árvore de demanda de energia e (b) estrutura da árvore de transformação de energia. Fonte: adaptado da interface gráfica do software Leap©.

Da mesma forma, os recursos primários e secundários que foram necessários para abastecer a demanda e a exportação de energia são mostrados na Figura 3.

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Figura 3 - Estrutura da árvore de recursos primários e secundários. Fonte: adaptado da interface gráfica do software Leap©.

Validação do modelo É importante destacar que o modelo energético integral em Leap© do Paraguai desenvolvido neste trabalho reproduziu com exatidão os dados do balanço energético da República do Paraguai obtidos junto ao VMME, validando assim os resultados obtidos e permitindo proceder à análise de perspectiva energética.

Análise de perspectiva energética A perspectiva do setor energético foi desenvolvida considerando diversos cenários, como um cenário tendencial, no qual não se aplicaram mudanças estruturais maiores ao setor energético, e cenários alternativos, nos quais as principais medidas aplicaram-se aos diferentes componentes do setor da energia, buscando que este estudo proporcione uma ferramenta para facilitar o planejamento e a análise do setor energético de acordo com as políticas dos planejadores e tomadores de decisões. As medidas de planejamento atuaram sobre a intensidade energética e sobre a participação que teve cada fonte de energia em alguns setores por meio da implementação de medidas de eficiência energética. Foi tomado como ano-base de estudo 2004, dado que para esse ano foi obtida a maior quantidade de dados necessários para a aplicação do Leap©. Além disso, 2004 não apresentou variações atípicas que pudessem caracterizá-lo como um ano com comportamentos extremos, como ocorreu com anos mais recentes. 37

A partir do modelo desenvolvido, foram realizadas as projeções dos cenários estudados até um horizonte no ano de 2030, de modo a dispor de elementos de avaliação em médio e longo prazos.

Cenário tendencial O cenário tendencial baseou-se em uma projeção linear com base em dados históricos de consumo e suas tendências. A tendência do PIB foi baseada em modelos econométricos apropriados e o crescimento populacional segundo estimativas da ONU (2011). Nesse sentido, se as tendências atuais no consumo de energia mantiverem-se, a evolução da matriz energética do Paraguai para 2030 do cenário tendencial será a exposta no gráfico a seguir.

Figura 4 - Cenário tendencial, evolução da demanda de energia final. Fonte: : resultado da aplicação do software Leap©.

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Tabela 1 - Unidades de demanda de energia final. Demanda: Unidades de Demanda de Energia Final

Cenário: tendencial

Média anual

Árvore: Demanda

Crescimento (%)

Unidades: Milhares de toneladas de equivalentes de óleo

2004

2008

2025

2030

2004-30

Álcool

0,2586

28,9642

79,0393

88,8779

“25,1829%”

Biomassa

2094,9352

2048,6846

2339,71

2413,0243

“0,5452%”

Eletricidade

406,1862

513,8699

659,9706

690,2876

“2,0605%”

Produtos de óleo

1252,2593

1322,0903

1929,6941 2150,5449

“2,1017%”

Combustíveis sólidos

0,23

Total

3753,6393

3913,8391

0,1374

0,142

5008,5514 5342,8767

N/A “1,3671%”

Fonte: resultado do software Leap©

Na tabela acima, pode-se observar a evolução da demanda de energia final do cenário tendencial por fonte de energia em milhares de toneladas equivalentes de petróleo e o respectivo crescimento percentual. Para 2030, observou-se ainda uma grande dependência da biomassa e dos hidrocarbonetos, e pouca participação da eletricidade, matriz que para o ano em questão não melhoraria os índices de sustentabilidade antes mencionados. Portanto, foi considerada necessária a aplicação de algumas medidas energéticas que ajudem a melhorar esses indicadores da matriz energética prevista para 2030. Foram aplicadas três medidas de substituição de fontes de energia e eficiência energética, para melhorar o cenário tendencial para 2030.

Cenário 1: Cozinhas Eficientes A primeira medida analisada foi “substituição das cozinhas tradicionais baseadas em biomassa por cozinhas mais eficientes no setor residencial rural”. Foi decidido aplicar essa medida porque o setor residencial rural é um dos maiores consumidores de lenha, empregada para o cozimento de alimentos.

Além disso, é importante destacar que o uso residencial da biomassa é importante do ponto de vista das emissões de GEE por duas razões significativas. Primeiramente, o consumo de biomassa produz emissões líquidas de CO2, dado que um percentual da lenha utilizada não é cortado de maneira sustentável. Em segundo lugar, são emitidos GEE diferentes do CO2 pela combustão incompleta da biomassa. Por outro lado, o uso típico da biomassa está seriamente vinculado a graves problemas respiratórios e de outra natureza, que afetam a saúde, principalmente entre mulheres e menores nas zonas rurais, pela exposição à fumaça produzida pela combustão incompleta da lenha. A experiência internacional demonstra que a transição para a utilização do gás LP nas moradias rurais enfrenta importantes barreiras econômicas e culturais; por isso, no curto prazo, a difusão de estufas ou cozinhas melhoradas de lenha é a maneira mais factível para resolver tanto o impacto sobre a saúde como as emissões de GEE (GARCÍA-FRAPOLLI, 2010). As pesquisas realizadas a esse respeito indicam que existem benefícios resultantes da redução de danos à saúde e proteção ao meio ambiente (externalidades) de cerca de $341/estufa/ano. O consumo total de lenha em 2008 foi de 1.266 kTEP, dos quais no setor residencial consumiram-se 440,48 kTEP, sendo o setor com maior consumo dessa tecnologia, com uma participação de 34,8%. Nesse setor, o consumo em cozimento de alimentos no setor rural é de 375,47, representando 85,17% do consumo do setor residencial e 29,6% do consumo de lenha total de 2008. A tendência que demonstra o comportamento é que, para o ano-horizonte, a representatividade da lenha no setor rural alcançará 552,4679 kTEP, o que representará 85,6% do consumo de lenha no setor residencial e 36,22% do consumo total de lenha do ano 2030.

Figura 5 - Cenário tendencial, evolução do consumo de lenha no setor residencial por uso. Fonte: resultado do software Leap©.

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Tabela 2 - Unidades de demanda de energia final, consumo de lenha no setor residencial por uso. Demanda: unidades de demanda de energia final

Cenário: tendencial, combustível: madeira

Média anual

Árvore: demanda\ residencial

Crescimento (%)

Unidades: milhares de toneladas de equivalentes de óleo

2004

2008

2025

2030

2004-30

Rural\Usos Térmicos\ Cozimento de Alimentos

451,9616

375,4703 526,546 552,4679 “0,7753%”

Urbano\Usos Térmicos\ Cozimento de Alimentos

81,8466

65,0142

84,064

90,1261

Total

533,8082

440,4845

610,61

642,5941 “0,7159%”

“0,3713%”

Fonte: resultado do software Leap©.

Com essa medida, prevê-se o abastecimento de cozinhas Mirt, que se caracterizam por ter um anel de cimento e uma placa metálica ou de argila, placa com um diâmetro de aproximadamente 60 cm, em comparação com os denominados fogos abertos. O forno Mirt economiza até 50% de madeira, o que diminui o uso de lenha em 30.000 moradias rurais e o abastecimento de cozinhas elétricas em 150.000 moradias rurais. Os resultados da implementação dessa medida são observados na série de gráficos apresentada a seguir.

Figura 6 - Comparação entre cenários, demanda final de energia. Fonte: resultado do software Leap©.

No consumo total de energia do país, a incidência não é significativa em comparação com o cenário tendencial, mas no setor residencial pode-se observar melhor as vantagens da implementação dessa medida através dos gráficos abaixo.

Figura 7 - Comparação entre cenários, demanda final de energia do setor residencial. Fonte: resultado do software Leap©.

Em 2030, o consumo residencial rural em cozimento de alimentos teria uma participação de 36,22%, com um consumo de 552,46 kTEP. Mediante a aplicação dessa medida, foi possível reduzir esse percentual a 34,03%, a um consumo de 501,82 kTEP, reduzindo um total de 50,64 kTEP de lenha. Apesar da introdução de cozinhas elétricas, o consumo de eletricidade aumentou em 15,01 kTEP.

Figura 8 - Comparação entre cenários, demanda final de lenha do setor residência. Fonte: resultado do software Leap©.

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Tabela 3 - Unidades de demanda de energia final, consumo de lenha no setor residencial. Demanda: unidades de demanda de energia final

Combustível: madeira

Média anual

Árvore: demanda\ residencial

Crescimento (%)

Unidades: milhares de toneladas de equivalentes de óleo

2004

2008

2025

2030

2004-30

Substituição de cozinhas

533,8082

440,4845

562,341

591,9487

“0,3984%”

Tendencial

533,8082

440,4845

610,61

642,5941

“0,7159%”

Total

1067,6164

880,9691

1172,951

1234,5427 “0,5603%”

Fonte: resultado do software Leap©.

Figura 9 - Comparação entre cenários, demanda final de eletricidade do setor residencial. Fonte: resultado do software Leap©.

A redução do consumo de lenha gera benefícios adicionais, como redução de horas-homens na coleta e menor desmatamento com fins energéticos. Nesse sentido, pesquisas recentes indicam que existiria uma economia efetiva de tempo por dia devido ao uso da estufa de aproximadamente 0,25 hora/dia/estufa.

Tabela 4 - Unidades de demanda de energia final, consumo de eletricidade no setor residencial. Demanda: unidades de demanda de energia final

Combustível: eletricidade

Média anual

Árvore: demanda\ residencial

Crescimento (%)

Unidades: milhares de toneladas de equivalentes de óleo

2004

2008

2025

2030

2004-30

251,3626

363,6524

387,4444

“2,8728%”

Substituição de cozinhas 185,5213 Tendencial

185,5213

251,3626

349,3504

372,4383

“2,7166%”

Total

371,0426

502,7252

713,0029

759,8826

“2,7955%”

Fonte: resultado do software Leap©.

Cenário 2: Trem a diesel A segunda medida foi “incorporação do trem a diesel”. Decidiu-se aplicar essa medida porque o consumo do diesel é preponderante no setor de transportes do cenário tendencial, utilizado principalmente pelos caminhões de longa distância. O consumo de diesel total de 2008 foi de 960,48 kTEP, dos quais 34,28% foram utilizados pelo transporte viário de carga em longa distância, que, segundo o cenário tendencial, alcançaria em 2030 um consumo de caminhões de longa distância de 551,36 kTEP, tendo uma participação de 35,61% para o ano-horizonte.

Figura 10 - Cenário tendencial, demanda final de energia do setor de transportes. Fonte: resultado do software Leap©.

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Na Figura 11, observa-se que o transporte viário de caminhões representa 83,56% do consumo total de diesel, e sua influência para o ano 2030 seria maior na matriz energética.

Figura 11 - Cenário tendencial, participação dos subsetores do setor de transportes no consumo de diesel. Fonte: resultado do software Leap©.

Nas emissões de CO2 do transporte viário, também os caminhões de longa distância que consomem diesel têm maior influência.

Figura 12 - Cenário tendencial, emissões de GEE do setor de transportes, subsetor de caminhões. Fonte: resultado do software Leap©.

Com a incorporação do trem a diesel, produziu-se uma redução média do consumo de diesel de 388.750.000 litros por ano. Os resultados mais importantes dessa incorporação refletem-se nos gráficos apresentados a seguir. Em 2008, as emissões de GEE alcançaram um valor de 2.958,20 kTEP/CO2equiv, sendo o maior setor que emite esses gases o de caminhões de longa distância,

com 49,28% de participação. Para 2030, as emissões alcançariam 4.767,92 kTEP/CO2equiv, ano no qual o setor de caminhões atingiria uma participação de 51,20% na emissão de GEE do setor energético paraguaio. No gráfico a seguir, pode-se observar que, como consequência da implementação da medida estudada, há diminuição no consumo final de energia.

Figura 13 - Comparação de cenários, demanda final de energia. Fonte: resultado do software Leap©.

Na demanda final de energia, observa-se uma redução anual de 212 kTEP de diesel que, para o ano 2030, seria uma redução acumulada de 3.180 kTEP de diesel no ano-horizonte.

Figura 14 - Comparação de cenários, demanda final de diesel. Fonte: resultado do software Leap©.

A redução das emissões de GEE, entre outros, também representa uma vantagem da implementação da medida aplicada: será obtida uma diminuição acumulada de 10.462 mil toneladas de CO2 equivalente. 46

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Figura 15 - Comparação de cenários, emissões de gases de efeito estufa devido ao consumo de diesel. Fonte: resultado do software Leap©.

Cenário 3: Trem Elétrico Finalmente, a terceira medida implementada foi a “incorporação do trem elétrico”, com o objetivo de dar uma maior participação à energia elétrica e para a redução do consumo de diesel pelas razões anteriormente mencionadas. A influência da incorporação dessa medida no consumo final de energia do Paraguai pode ser observada no gráfico a seguir. Verifica-se uma diminuição anual de 342,326 kTEP de diesel a partir de 2015 que, acumulada ao ano 2030, produz uma redução de 5.475 kTEP de diesel, e um aumento anual de 34,93 kTEP de eletricidade a partir de 2015, que, acumulado ao ano-horizonte, representa um aumento da eletricidade acumulada de 558,89 kTEP.

Figura 16 - Comparação de cenários, demanda final de energia. Fonte: resultado do software Leap©.

A diminuição do consumo de diesel no setor de transportes devido à implementação do trem elétrico é muito significativa, conforme pode ser observado no gráfico a seguir.

Figura 17 - Comparação de cenários, demanda final de diesel. Fonte: resultado do software Leap©.

A redução das emissões de gases do efeito estufa, entre outros, também representa uma vantagem adicional da implementação da medida analisada. Será reduzida em 2030 a quantidade acumulada de 16.866 mil toneladas equivalentes de CO2.

Figura 18 - Comparação de cenários, emissões de dióxido de carbono devido a todas as fontes de energia. Fonte: resultado do software Leap©.

Por último, apresenta-se a projeção da demanda final de energia no Paraguai e uma comparação entre os diferentes cenários, o tendencial e os três desejados.

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Figura 19 - Comparação entre todos os cenários, demanda final de energia. Fonte: resultado do software Leap©.

Relação custo-benefício Na tabela a seguir, são apresentados os resultados da relação custo-benefício social dos diferentes cenários comparados com o cenário tendencial. Tabela 5 - Relação custo-benefício, comparação dos diferentes cenários com o cenário tendencial. Custos e benefícios cumulativos: 2004-2030. Comparação com cenário tendencial. Milhões de dólares em 2008. Desconto de 10,0% no ano de 2008. Custos

REFERÊNCIA

SUBSTITUIÇÃO DE COZINHAS

TREM A DIESEL

TREM ELÉTRICO

Importações

-179,5

-62,5

-100,7

Exportações

-28,7

3,7

13,7

Requisitos não atendidos

Externalidades ambientais

-91,3

-43,1

-69,6

Valor atual líquido

-299,5

3,7

-105,6

-156,6

Economia em GEE (Milhões de toneladas de CO2 Equiv)

24,8

0,2

10,5

16,9

Fonte: resultado do software Leap©.

Esses resultados apresentam a relação custo-benefício quanto ao cenário tendencial. Os valores positivos na linha Exportações representam a redução de exportação com relação ao cenário tendencial, assim como os valores negativos na linha Importações representam benefícios com relação ao cenário tendencial. Todos os valores são descontados em 2008. 49

Para realizar o cálculo, foi considerada a valorização do benefício de exportação de eletricidade em 5 dólares/Mwh e 60 dólares/m3 de diesel, além de considerar o valor de redução de 15 dólares por tonelada de CO2 não emitido.

CONCLUSÃO Ao longo deste documento, foram apresentados diferentes aspectos e vários diagnósticos do setor energético do Paraguai. Foi elaborado no ambiente Leap© um modelo energético integral do Paraguai. Os cenários foram baseados em balanços integrais sobre a forma na qual se consome, transforma e produz energia no país. O Paraguai não contava com um modelo energético integral, com uma estrutura de maior desagregação como o que foi elaborado, com o qual puderam ser aplicadas medidas mais específicas dentro dos diferentes setores de consumo de energia. Esse modelo está disponível aos diferentes atores do setor energético do Paraguai com todos os benefícios proporcionados por esse tipo de modelo. Também foram apresentadas diferentes medidas de eficiência energética, que podem ser aplicadas para melhorar a estrutura da matriz energética da República do Paraguai, cumprindo, assim, o objetivo traçado ao propor a realização desse modelo. Os principais resultados são a diminuição do consumo do diesel nos cenários 2 e 3, o aumento do consumo de eletricidade e a diminuição do consumo de lenha nas moradias residenciais rurais no cenário 1, a incorporação da eletricidade no setor de transportes no cenário 3, e em todos os cenários foi observada uma diminuição nas emissões de gases do efeito estufa. Foi apresentada uma comparação entre os custos e benefícios obtidos nos diferentes cenários desejados e no cenário tendencial.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aguiar, L. et al. Análisis de la Renegociación del Tratado Bilateral de la Itaipú Binacional. In: LATIN AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION & TRANSMISSION, 8. Anais... Ubatuba, 2009. COMMEND. LEAP© software. Community for energy, environment and development. Disponível em: <http://www.energycommunity.org/>. Acesso em: 12 nov. 2010. GARCÍA-FRAPOLLI, E. et al. Beyond fuelwood savings: valuing the economic benefits of introducing improved biomass cookstoves in the Purhépecha region. México: Ecological Economics, 2010. Ministerio de Obras Públicas de Comunicaciones. Vice Ministerio de Minas y Energías. “Plan Estratégico del Sector Energético de la República del Paraguay” (2004-2013). San Lorenzo, 2003. OLADE; CEPAL; GTZ. Energía y desarrollo sustentable en América Latina y el Caribe: Guía para la formulación de políticas energéticas. Quito: Olade, 2000. ONU. Disponível em: <http://esa.un.org/wpp/unpp/Panel_profiles.htm>. Acesso em: 15 ago. 2011. PULFER, Jean-Claude. Diagnóstico del sector energético en el área rural de Paraguay. Proyecto electrificación rural. Organizaciones auspiciante: Organización Latinoamericana de Energía (OLADE), Agencia Canadiense para el Desarrollo Internacional (ACDI) y Universidad de Calgary. Assunção: 2005. ROLÓN, Juan Carlos. Situación de la matriz energética en Paraguay: soluciones para el desarrollo sostenible. Recomendaciones. San Lorenzo, 2009. Vice Ministerio de Minas y Energía. Estudio de País: Paraguay. Aplicación del Modelo MAED del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Proyecto Regional RLA/0/029. Primer Borrador. San Lorenzo, 2007.

Vice Ministerio de Minas y Energía. Eficiencia Energética en el Paraguay, Situación actual y perspectivas. Taller Intergubernamental de Eficiencia Energética. San Lorenzo, 2009.

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GRADUAÇÃO

>>> PRODUÇÃO DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS COMO ALTERNATIVA AOS CULTIVOS CLÁSSICOS Ignacio Ferrero

RESUMO A Argentina está estabelecida como um importante exportador dentro do mercado global de biocombustíveis. Segundo as estimativas dadas, nos próximos anos pode-se esperar que sua participação como produtor mundial encontre-se dentro das primeiras cinco posições. Além disso, o país encontra-se entre os principais países produtores e processadores de soja e seus derivados, e a indústria de óleos e gorduras vegetais, fornecedora do principal insumo para a fabricação de biodiesel atualmente, está em pleno auge. No entanto, o aproveitamento integral da biomassa com fins energéticos exerce uma forte e crescente pressão sobre o recurso da terra, competindo com a provisão de alimentos e expandindo zonas de cultivo para áreas de maior fragilidade ambiental. A produção de biocombustível sem comprometer terra fértil permitirá aproveitar sua disposição para a produção de alimentos e o aproveitamento das zonas marginais (não cultiváveis e inundáveis) que abundam no país, sem comprometer a liderança como exportador de biodiesel. É nesse contexto que ganham importância as microalgas, organismos unicelulares amplamente distribuídos na natureza, produtores naturais de grandes quantidades de lipídios e numerosos outros metabólitos de interesse ecológico e industrial. Seu elevado rendimento de óleo por hectare em comparação com as oleaginosas e sua rápida reprodução parecem indicar que aquele que desenvolver o método para produzir biodiesel a partir do óleo de microalgas em grande escala e de modo sustentável terá o domínio sobre o mercado futuro de combustível. São apresentados aqui alguns esforços realizados para o desenvolvimento de ferramentas inovadoras que permitam projetar uma metodologia lógica para o escalado de fotobiorreatores para o cultivo de algas microscópicas produtoras de óleo.

PALAVRAS-CHAVE: Biodiesel. Microalgas. Fotobiorreatores.

ABSTRACT Argentina arises as an important exporter of bio-fuels within global market. As estimated, the country will set as one of the five best producers in the coming years. Moreover, Argentina is one of the main producer and processer of soybean and its derivatives, and the industry of oil and animal fat – the actual main raw material for making biodiesel – is in continuous development. However, using biomass for energy implies a strong pressure on the land, competing with food provision and expanding culture areas to more environmentally fragile zones. Production of bio-fuels needs to be independent of fertile ground in order to allow its disposal for food cultivation and also to take advantage of none cultivable and floodable areas that predominate in our country. This approach will also ensure the country leadership as biodiesel exporter. Is in this context where microalgae gain prominence. Such a unicellular organism is largely distributed in nature and is a natural producer of a great variety and large amount of lipids and several other metabolites of major importance in industry and ecology. Microalgae have shown a superior oil yield per hectare and a far less doubling time related to conventional oil crops. Thus, it is said that whoever develops a sustainable method to allow large-scale production will get domain over global market of biodiesel. Here, we describe some efforts made in development of novel tools to allow the design of a logical methodology for scaling-up of photo-bio-rectors for culture of oil-producing-microalgae. KEYWORDS: Biodiesel. Microalgae. Photo-bio-reactors.

INTRODUÇÃO A Lei nacional 26.093 (Regime de Regulação e Promoção para a Produção e Uso Sustentável de Biocombustíveis), sancionada em 2006, estabelece que a partir de 2010 o óleo diesel para consumo deve conter pelo menos 5% de biodiesel. Na Argentina, a fabricação de biodiesel em grande escala é um fenômeno recente. Durante 2004 e 2007, a capacidade produtiva expandiu-se em mais de 400%, alcançando durante o último ano valores próximos aos 2,5 milhões de toneladas. Esse importante aumento é produto de significativos fluxos de investimento realizados pelo setor no último triênio. Em última instância, esse fenômeno responde em grande medida – embora não exclusivamente – às possibilidades intrínsecas de agregação de encadeamentos e diversificação exportadora

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que possui o complexo oleaginoso, o qual se encontra principalmente radicado na província de Santa Fé (ROZEMBERG, 2008). No entanto, o desenvolvimento dos biocombustíveis aponta atualmente para o desenvolvimento de tecnologias que evitem a restrição de terras e que permitam a substituição de combustíveis fósseis por uma alternativa sustentável. A utilização de grandes extensões de terreno fértil para tal fim entra em conflito com a crescente necessidade de terras a ser destinadas à produção de alimentos. Segundo a ONU, o preço mundial dos alimentos bate recordes e seguirá aumentando. Um petróleo mais caro torna mais competitivos os biocombustíveis extraídos de plantações, o que restringe a parte da produção agrícola que se destina à alimentação. Ao mesmo tempo, o aumento do combustível para tratores e dos fertilizantes afeta os preços agrícolas (CLARÍN, 2011). Essa situação é agravada em países em desenvolvimento com forte dependência do sistema agrícola, como a Argentina e, particularmente, nossa região (principal polo sojicultor do país). Torna-se imperativo investir na pesquisa de biocombustíveis a partir de matérias-primas capazes de crescer em solos marginais e desenvolvê-las nacionalmente com êxito. O futuro da Argentina reside em administrar eficientemente o uso do solo e maximizar seu potencial para a produção de alimentos e também de energias sem comprometer a de alimentos (JAMES, 2009). Nesse contexto, são importantes as oleaginosas não tradicionais, como a Jatropha spp. (pinhão-manso, pinhão-paraguaio, etc.). Seu óleo pode chegar a ser uma matéria-prima muito mais econômica e, portanto, mais desejável que um óleo comestível. Infelizmente, sua colheita apresenta dificuldades (realizada manualmente, exigindo muita mão de obra), a polpa excedente depois da extração do óleo não possui muito valor comercial, por sua toxicidade não pode ser moída nas mesmas instalações usadas para as oleaginosas comestíveis, e seus frutos não amadurecem na mesma temporada, e sim ao longo do ano, complicando a logística e aumentando os custos de mão de obra (JAMES, 2009). As algas microscópicas, com um grande rendimento e produtividade em óleo e outros metabólitos, independência estacional e capacidade de crescimento em solos marginais, parecem ser a matéria-prima ideal. Atualmente, diversas agências governamentais, órgãos públicos e privados, centros de pesquisa e de estudo encontram-se realizando pesquisas, desenvolvimentos tecnológicos e investimentos sobre o cultivo de microalgas em grande escala para a produção de biocombustíveis. Em âmbito mundial, estima-se que são 200 as companhias que levam adiante essa tecnologia, destinando a produção de algas diretamente à obtenção de energia. As microalgas têm uma grande importância econômica e ecológica. São micro-organismos extremamente valiosos, pois são os primeiros seres a fazer a tro55

ca de dióxido de carbono (CO2) e oxigênio (O2) neste planeta. Constituem o grupo de produtos primários de biomassa mais importante e são um dos grupos ecológicos com maior diversidade de organismos. A biomassa proveniente de algas foi empregada historicamente como fertilizante e como fonte de alimento tanto para animais como para humanos. As microalgas também são empregadas em alguns processos da engenharia ambiental, como o tratamento biológico de efluentes e a biorremediação. Algumas espécies produzem compostos químicos muito úteis, como aminoácidos, vitaminas, carotenoides, ácidos graxos, polissacarídeos e antibióticos. Os avanços técnicos e biotecnológicos permitem, e permitirão ainda mais no futuro, o emprego das microalgas em áreas tão diversas como a alimentação, a indústria cosmética, a indústria farmacêutica (descobrimento de metabólitos secundários com potencial farmacológico), a agricultura, a aquicultura e a remediação do meio ambiente (RICHMOND, 2004). No que diz respeito a sua aplicação energética, não apenas são utilizadas como matéria-prima para a produção de biodiesel, mas também para a produção de biometano (SPOLAORE, 2005), bio-hidrogênio (MELIS, 2000) e bioetanol (GREENWELL, 2011). Particularmente, a produção de óleos destinados a biodiesel a partir de microalgas apresenta uma série de vantagens sobre os cultivos clássicos, a saber: i) não necessitam de solo fértil para desenvolver-se e algumas espécies crescem em água marinha ou salobra. Portanto, seu cultivo em escala industrial não compete nem pelo solo nem pela água de irrigação com as agriculturas tradicionais; ii) o cultivo das microalgas pode ser realizado em grandes volumes de água, como lagunas e piscinas naturais, o que permite plantá-las e colhê-las desde um ponto de bombeamento único; iii) as microalgas crescem sem fortes restrições climáticas ou estacionais e permitem um aproveitamento permanente das áreas afetadas pelo cultivo; iv) as microalgas demonstram uma maior atividade fotossintética e capacidade de fixação de dióxido de carbono (CO2) que as plantas terrestres (SCRAGG, 2002). Isso as torna potencialmente propícias para fixar o CO2 gerado por fontes contaminantes, como, por exemplo, as usinas térmicas (ZEILERT, 1995); v) em sua estrutura, apresentam alto conteúdo de lipídeos, chegando em algumas cepas a mais de 80% do peso seco, e em média entre 20% e 50% (CHISTI, 2007; HU et al., 2008). No entanto, essa quantidade diminui notavelmente quando se considera o alto conteúdo de água na pasta de algas obtida após sua colheita, motivo pelo qual novas tecnologias de colheita, extração e transesterificação serão necessárias

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para obter êxito nessa aplicação; vi) o tempo médio de duplicação de um cultivo de microalgas é de 24 h, significativamente inferior ao correspondente para os cultivos clássicos; e vii) além do crescimento autótrofo, em determinadas condições de cultivo algumas cepas podem utilizar para seu desenvolvimento fontes de carbono orgânicas (cultivo mixotrófico), tais como o glicerol. Este último ponto merece uma distinção particular. O glicerol é um subproduto da transesterificação dos óleos vegetais, e seu volume de produção é de aproximadamente 100 kg de glicerol por cada tonelada de biodiesel produzido. Sua utilização (ou comercialização) é uma parte importante da rentabilidade na produção de biocombustível. Embora a produção de biodiesel com óleos obtidos a partir de microalgas seja identificada como uma opção tangível para o problema da escassez de combustíveis, sem comprometer o aprovisionamento mundial de alimentos, é importante destacar que há certos aspectos biológicos, técnicos e econômicos que ainda não estão resolvidos e que é necessário decifrá-los e interpretá-los para conseguir um processo de produção eficiente e sustentável do ponto de vista ambiental, energético e econômico. Atualmente, existem apenas dois métodos práticos de produção de microalgas em grande escala: os tanques raceway (TERRY, 1985; MOLINA GRIMA, 1999); e os fotobiorreatores (FBRs) tubulares (MOLINA GRIMA et al., 1999; TREDICI, 1999; SÁNCHEZ MIRÓN et al., 1999). No entanto, as metodologias do projeto e escalamento para FBRs estão pobremente desenvolvidas. Não existe muita informação sobre as variáveis de projeto e operação desse tipo de reatores. Acredita-se que o êxito da aplicação das microalgas na produção de biodiesel requer uma correta compreensão do complexo conjunto de variáveis que afetam o crescimento celular e a produção de óleos, e do modo como essas se relacionam. Para tanto, no Laboratório de Operações e Processos Biotecnológicos desta Faculdade, decidiu-se dar início em 2008 a um projeto em grupo e interdisciplinar com o objetivo de desenvolver ferramentas de simulação para o projeto, construção e otimização de FBRs para a propagação de microalgas em escalas de laboratório e piloto. Em seguida, durante 2011, foi criada na mesma Faculdade o Grupo de Inovação em Engenharia de Bioprocessos (GIIB), que confere identidade àquele projeto. Neste trabalho, são expostos alguns resultados obtidos pelo grupo em laboratório, bem como as projeções relativas à produção em escalas maiores, desde uma perspectiva racional, com a aplicação de metodologias técnica e economicamente sustentáveis.

O diagrama a seguir (Figura 1) conjuga o processo de escalado racional (baseado em ferramentas computacionais de simulação como se desenvolverá), com o clássico sistema de produção de biodiesel (etapas do downstream processing) (CHISTI, 2007).

Figura 1 - Diagrama do processo de produção de biodiesel e outros produtos de interesse industrial a partir de microalgas

A água, os nutrientes, o CO2 e a luz são fornecidos aos sistemas de cultivo (abertos, fechados ou híbridos) para a produção de biomassa de microalgas rica em lipídios. O CO2 pode provir do ar ambiente, ou os sistemas de cultivo podem ser acoplados a fluxos ricos nesse gás procedente de emissões industriais, tais como as das centrais geradoras de energia elétrica. A luz, por sua vez, pode ser fornecida artificialmente ou, para escalas maiores, pode ser aproveitada a energia solar. A biomassa produzida é separada da água, e os nutrientes residuais são recirculados para a etapa inicial de produção de biomassa. Os óleos são extraídos a partir da pasta de microalgas, sendo depois transformados em biodiesel e glicerol, por meio da reação de transesterificação. Esse esquema conceitual inclui etapas adicionais que possibilitam acoplar a produção de biodiesel ao aproveitamento dos coprodutos de maneira a assegurar a rentabilidade global do processo, ou seja, do glicerol e da biomassa microalgal livre de lipídios, seja diretamente como insumos industriais, na alimentação humana, animal e/ou aquícola, ou in58

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diretamente, através de sua transformação em produtos alternativos, como o biogás (por digestão anaeróbica) e outros. A energia do biogás pode ser aproveitada para a produção de biomassa no reator (não mostrada na figura). A seta cortada representa a potencial aplicação do glicerol obtido como substrato para a produção de biomassa no mesmo reator. O biodiesel pode ser aproveitado diretamente como fonte de energia ou de modo alternativo, por exemplo, como adjuvante em agroquímicos, uma inovadora aplicação que será pesquisada futuramente.

METODOLOGIA Em primeira instância, começou-se trabalhando com cepas de microalgas consideradas modelo de pesquisa, tais como Scenedesmus quadricauda e Chlorella sp. A primeira foi isolada de uma laguna na região da Cidade Universitária (Santa Fé, Argentina). Levando em conta o objetivo visado, recentemente foi adquirida uma nova cepa, Chlorella vulgaris, de fácil crescimento e capaz de acumular maiores quantidades de óleo. Para seu crescimento e propagação, foi projetado e construído um FBR anular (Figura 2). Foi escolhida essa geometria para maximizar o aproveitamento da radiação gerada pela fonte de luz artificial. Foi colocada na parte interna uma lâmpada fluorescente Philips Day Light de 20 W. Os instrumentos de medição e controle estão conectados a um controlador de um reator de bancada Labforce, que permite, por meio de um software computacional, registrar e controlar a temperatura, o pH, a pressão parcial de oxigênio e caudais de ar fornecido e de alimentação, e a tomada de amostra. Figura 2 - FBR anular conectado ao controlador Labforce para o cultivo de microalgas

Um primeiro passo para a produção sustentável e comercialização compreende a identificação do sistema de variáveis que afetam o processo produtivo e a compreensão integral de sua inter-relação. Propõe-se desenvolver tecnologias inovadoras que permitam a total compreensão do fenômeno, desde seu início no cultivo em FBRs, sua modelagem e seu rastreamento, até o final, com seu escalado, produção e processamento, otimizando cada etapa nos aspectos técnico e econômico.

Upstream Processing: operação do fbr e crescimento celular Densidade ótica Com a finalidade de acompanhar a evolução dos cultivos, costuma ser utilizada como parâmetro de referência a densidade ótica (DO) dos cultivos, devido a sua fácil e rápida determinação e por utilizarem-se pequenos volumes de amostra, o que permite não alterar significativamente o volume dos FBRs operados de modo descontínuo. Devido à proporcionalidade da medida da DO com outros parâmetros de interesse, como a biomassa e o número de indivíduos, será possível correlacionar essas últimas grandezas com suas DOs correspondentes, através da obtenção de curvas de calibração que as relacionem. Embora seja certo que os espectros de absorção dos pigmentos que possuem as microalgas têm seus máximos de intensidade de absorção em cerca de 430 e 660 nm (clorofila-a) e 450 e 640 (clorofila-b), deverão ser escolhidos comprimentos de onda não necessariamente situados sobre os picos de absorção. Isso se deve ao fato de que as concentrações dos pigmentos variam notadamente em função das condições de cultivo, fazendo com que a proporcionalidade entre a biomassa e a DO seja muito flutuante ao realizar as medições nos comprimentos de onda correspondentes aos picos de absorção das clorofilas (ROCHA et al., 2003). Para as determinações aqui apresentadas, o comprimento de onda selecionado foi de 540 nm.

Biomassa total Considerando a finalidade científica e tecnológica do projeto, um parâmetro extremamente relevante para o acompanhamento das experiências constitui a determinação de biomassa. Optou-se pela utilização de uma técnica gravimétrica, devido à simplicidade e exatidão do método, que consiste basicamente na filtração de volumes exatos e conhecidos de suspensões de microalgas cuja biomassa deseja-se determinar. Assim, procura-se reter os sólidos suspensos totais (SST) e, em seguida, através de secagens sucessivas, primeiro em estufa e depois em mufla, determinar os sólidos suspensos fixos (SSF) e os voláteis (SSV). Entre as

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desvantagens que podemos citar dessas técnicas estão a elevada demanda de tempo e o alto volume de amostra necessária para o processamento de réplicas. Por esse motivo, também é muito útil realizar curvas de calibração que relacionem a biomassa com outro parâmetro mais simples de determinar, como a DO.

Meio de cultivo Uma das variáveis mais complexas nesse sistema produtivo é a composição do meio de cultivo (geralmente salino). Encontra-se intimamente relacionada com outras variáveis operativas e físico-químicas importantes: pH, temperatura e concentração de CO2. Numerosos estudos demonstram a importância da composição do meio de cultivo sobre o crescimento celular, regulando tanto a velocidade de propagação como a composição final da biomassa. Duas variáveis de grande relevância são a concentração de CO2 e o pH do meio de cultivo. Ambas as variáveis afetam de modo particular o crescimento celular, a primeira por ser fundamental fonte de carbono e a segunda por limitar o desenvolvimento microbiano a uma faixa ideal. No entanto, o tratamento dessas variáveis não pode ser realizado de maneira independente: o CO2 dissolvido em água participa de equilíbrios ácido-base capazes de influir sobre o pH do meio de cultivo. Nesse contexto, torna-se relevante dispor de uma ferramenta que permita prever a influência, no desenvolvimento do cultivo, das variáveis citadas anteriormente. Para isso, desenvolvemos um modelo de simulação computacional que permite conhecer, a priori, a composição de meios de cultivo (variável dinâmica) em função de sua formulação original. Contar com um método de simulação e previsão permite analisar cada variável de modo individual, e controlar quais e em que magnitude modificam-se em cada uma das condições de cultivo propostas, transformando-se, nesse caso, em uma ferramenta útil no momento de projetar de modo racional o meio de cultivo adequado de acordo com o objetivo visado. Para as diferentes simulações, recorreu-se ao uso de algoritmos genéticos (AGs). Os AGs são métodos matemáticos estocásticos de otimização e busca global. Em contraste com os métodos determinísticos tradicionalmente usados, não exigem excessiva manipulação matemática da estrutura da função objetivo nem das condições de contorno e representam uma ferramenta muito útil em sistemas não lineares. A partir dos equilíbrios envolvidos na solução que constitui um meio típico de propagação de microalgas, como o BG-11 (meio salino), o qual constitui um sistema complexo bifásico (fases gasosa e líquida) multicomponente (38 espécies iônicas e moleculares), e de suas respectivas constantes de equilíbrio, elaborou-se um sistema de equações (algébricas e diferenciais) para descrever a distribuição de concentrações de cada espécie presente. Para as diversas reações de equilíbrio 61

ácido-base da forma AH  A- + H+, com Kac= aA-aH+/aAH, o AG foi utilizado para obter os valores de concentração de cada espécie presente no meio de cultivo. Para o cálculo do erro associado a cada conjunto de valores, foram elaboradas as seguintes restrições: Kac - (aA-aH+/aAH) = 0 y CTAH - [A-] - [AH] = 0 (onde CTAH é a concentração formal do AH) – as reações de formação de complexos foram tratadas de modo equivalente. O cálculo da concentração de CO2 (aq) baseou-se na Lei de Henry, supondo um comportamento ideal. Por último, os coeficientes de atividade foram obtidos mediante a aplicação da Equação de Debye-Hückel. A fidelidade dos resultados do modelo foi verificada experimentalmente mediante a comparação com medidas de pH.

Luz Outras variáveis de elevada relevância e complexidade são a intensidade e a qualidade da luz. Em cultivos densos de microalgas, a penetração da luz é dificultada pelo self shading e pela absorção da luz. No primeiro caso, as próprias algas “eclipsam-se” umas às outras, dificultando a possibilidade de que todas estejam expostas a uma mesma intensidade de radiação. No segundo caso, as algas, através de seus pigmentos (principalmente as clorofilas) absorvem parte da radiação recebida. Em consequência, dentro do reator existem zonas com diferentes níveis de iluminação. Por esse motivo, é necessário assegurar uma disponibilidade de luz uniforme em todo o meio, oferecendo às microalgas uma intensidade de luz suficiente para evitar esses fenômenos. Para tanto, é necessário obter uma mistura perfeita dentro do reator através de uma agitação eficiente, permitindo, assim, que todas as microalgas tenham a mesma probabilidade de encontrar um fóton em qualquer ponto do reator. Existe também um limite superior de intensidade de radiação, acima do qual surge o efeito da fotoinibição, que diminui a produtividade dos cultivos devido à saturação e dano provocado no fotossistema II, um dos componentes principais que intervêm na fotossíntese (RICHMOND, 2004). Para a análise dessa variável, foram propostas quatro condições experimentais: 24 h de luz com a lâmpada descoberta; 24 h de luz com a lâmpada coberta por um filtro; 12 h de luz/12 h de escuridão com a lâmpada descoberta; 12 h de luz/12 h de escuridão com a lâmpada coberta por um filtro. A seleção desses fotoperíodos foi feita tendo em vista um futuro escalamento do reator, no qual a fonte de radiação utilizada fosse o sol e em função dos períodos de luz/escuridão típicos de nossa região. O filtro que se menciona é de densidade neutra e circunda a lâmpada, o qual não altera a distribuição espectral da radiação emitida; apenas diminui a intensidade da radiação que passa através dele.

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Downstream Processing: extração e quantificação do óleo Conteúdo de lipídios Para a determinação de lipídios, começou-se a trabalhar primeiramente com o método de Bligh e Dyer (1959), que é um dos métodos mais utilizados para a determinação de lipídios em uma grande variedade de tipos de amostras, incluindo as microalgas (CHAN et al., 2010). No entanto, de acordo com nossa experiência e com o verificado na literatura, o principal inconveniente que apresentam as amostras provenientes desses micro-organismos é o pré-tratamento necessário para liberar os lipídios das células, o que implica alguma metodologia de rompimento celular (YON et al., 2010; RANJAN et al., 2010). Novamente aqui nosso enfoque de trabalho não apenas está elaborado a partir do projeto de FBRs, mas também a partir da Engenharia de Bioprocessos, que intervém tanto no binômio reação-reator como no que se refere ao processamento downstream, contemplando as diferentes operações e biosseparações às quais será submetido o material. Para as operações de extração dos lipídios, as amostras a tratar são obtidas logo após a centrifugação (ou decantação) das suspensões de microalgas obtidas ao finalizar as distintas corridas experimentais. O que se obtém é uma espécie de “pasta” de algas com a qual serão ensaiados diferentes métodos para obter-se o rompimento celular. Foram testados primeiramente os seguintes métodos: ultrassom (a baixas frequências, 18-40 kHz), esterilização em autoclave (121 ºC, 1 atmosfera, durante 20 min), congelamento (-80 ºC em freezer por 48 h, e a -20 ºC durante 48 h, em ciclos alternados) e hidrólise ácida (ácido clorídrico 1 M, aquecendo em banho com água a 100 ºC durante 30 min). Após realizar os pré-tratamentos correspondentes, procedeu-se à determinação dos lipídios totais em base seca através do método mencionado anteriormente, comparando os rendimentos obtidos em cada caso. O método de processamento prévio “úmido” consiste em centrifugar as amostras em um mesmo tubo, a 2.500 rpm durante 10 min. Em seguida, suspende-se novamente o centrifugado em água destilada até um volume exato e fragmenta-se em volumes iguais para obter as alíquotas desejadas. A partir desse volume de água, são agregadas as frações de metanol e clorofórmio correspondentes segundo a técnica de Bligh e Dyer. O método de processamento prévio “seco” consiste em centrifugar toda a amostra a 2.500 rpm durante 10 min e depois secar totalmente em estufa a 100 ºC durante 6 h. A amostra seca é pulverizada exaustivamente em almofariz e, em seguida, fracionada gravimetricamente em balança analítica para obter amostras iguais. A partir dessa amostra sólida, são agregados os volumes de água destilada, metanol e clorofórmio correspondentes segundo a técnica de Bligh e Dyer. 63

Para obter uma referência empírica da capacidade disruptiva de cada método, recorreu-se ao ensaio de exclusão do azul de tripano. Baseia-se no princípio de que as células vivas possuem membranas intactas que impedem o acesso de colorantes como o azul de tripano, enquanto as células mortas não. Também estão sendo preparadas outras metodologias para a determinação de lipídios (por exemplo, coloração por vermelho do Nilo).

RESULTADOS Upstream Processing: operação do fbr e crescimento celular

Simulação da variação do pH de meios de cultivo típicos para cultivo de microalgas Foi analisada a influência de duas variáveis sobre o pH do meio: pressão de CO2; e concentração inicial de Na2CO3 no meio de cultivo. Os Gráficos 1 e 2 mostram, para dois níveis de pressão de CO2 (atmosférica: 0,25 mm Hg; e enriquecida em 0,5%: 3,8 mm Hg), a variação do pH em função de concentrações crescentes de Na2CO3. O Gráfico 3 relaciona o pH do meio BG-11 (respeitando a concentração original de Na2CO3) com o aumento da concentração de CO2 na fase gasosa, variando sua pressão parcial entre 0 e 128 mm Hg. Finalmente, no último gráfico foram construídas isolinhas de pH (Gráfico 4), onde se mostram as combinações de Na2CO3 e pCO2 necessárias para obter diferentes valores de pH (6,5, 7,5 e 8,5).

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Gráficos 1 e 2 - Variação do pH com a concentração de Na2CO3 para diferentes concentrações de CO2 na corrente gasosa de entrada.

Gráfico 3 - Variação do pH com a concentração de CO2 na fase gasosa.

Gráfico 4 - Concentração de Na2CO3 e pressão de CO2 necessárias para ajustar o pH.

A importância desses resultados consiste em que são a base para o projeto racional de meios de cultivo. Além disso, um simulador desse tipo é uma ferramenta fundamental no momento de selecionar as variáveis operativas e físico-químicas mais convenientes em função do objetivo visado. Também é importante no momento de projetar experiências como a determinação do coeficiente de transferência do CO2, parâmetro fundamental que necessita ser medido para a determinação de uma cinética de crescimento adequada.

Efeito da intensidade de luz e do fotoperíodo sobre o crescimento celular A seguir, são mostrados os gráficos resultantes das corridas experimentais: 24 h de luz contínua com a lâmpada descoberta (Gráfico a); 24 h de luz contínua com a lâmpada coberta pelo filtro de densidade neutra (Gráfico b); 12 h de luz/12 h de escuridão com lâmpada descoberta (Gráfico c); e 12 h de luz/12 h de escuridão com a lâmpada coberta pelo filtro de densidade neutra (Gráfico d).

Figura 3 - Gráficos das corridas experimentais: (a) 24 h de luz com lâmpada descoberta; (b) 24 h de luz com lâmpada coberta com o filtro; (c) 12 h de luz/12 h de escuridão com lâmpada descoberta; (d) 12 h de luz/12 h de escuridão com lâmpada coberta com o filtro.

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O estudo da influência da intensidade de radiação incidente demonstrou a importância dela sobre o crescimento das microalgas. A atenuação da intensidade da lâmpada utilizada no FBR através do uso do filtro de densidade neutra produziu reduções significativas na velocidade de crescimento das algas e, em consequência, na produção de biomassa. Observou-se que a diminuição da intensidade de luz acelerou a entrada dos cultivos em fase estacionária de crescimento – apesar das baixas densidades celulares alcançadas –, demonstrando-se a importância da qualidade de luz para a manutenção do cultivo em um estado ativo (fase exponencial). A análise da influência do fotoperíodo revelou que a velocidade de crescimento das microalgas é substancialmente reduzida em ciclos de 12 h de luz/12 h de escuridão, com produções de biomassa significativamente menores com relação aos controles (cultivos com irradiação contínua). Praticamente a totalidade da biomassa produzida é gerada durante as horas de irradiação, enquanto durante os períodos de escuridão o crescimento é mínimo e existe inclusive desaparição (consumo por respiração celular) da massa celular produzida durante o período de luz. Além disso, tanto o aumento da intensidade da radiação incidente sobre os cultivos durante os períodos de luz como a diminuição da temperatura durante os ciclos escuros (devido ao apagamento da lâmpada) favorecem a diminuição da biomassa formada e da atividade das microalgas durante as horas de escuridão posteriores a um ciclo de luz. Conclui-se que a intensidade de radiação à qual são submetidas as microalgas durante seu crescimento é um dos principais fatores que afetam seu desenvolvimento. Ao longo de 19 dias de cultivo, a redução da intensidade da radiação incidente em 40% produziu uma diminuição na biomassa produzida de cerca de 75% com irradiação contínua e de 65% com fotoperíodos. Um dos fenômenos que pode explicar esse fato é o self-shading.

Downstream Processing: extração e quantificação do óleo Seleção do método de rompimento celular para a determinação de lipídios Os tratamentos de esterilização em autoclave e de ultrassom com sonicador apresentaram os níveis mais altos de rompimento celular (44,9% e 56,5%). A amostra tratada por hidrólise ácida resultou na ruptura celular total, impedindo a contagem. O tratamento de congelamento em freezer foi descartado por seu baixo rendimento e longo tempo requerido. O método úmido ou volumétrico demonstrou ser mais eficiente, ao obter-se, segundo esta metodologia, uma maior quantidade de lipídios por unidade de biomassa para amostras originadas de uma mesma colheita. O maior rendimento em lipídios foi obtido tratando-se a amostra úmida por meio do método de hidrólise ácida. 67

CONCLUSÃO E PERSPECTIVAS PARA O FUTURO O modelo do meio de cultivo apresentado representa um primeiro passo na análise de FBRs. Através desse algoritmo de cálculo, é possível prever o efeito da modificação de algum componente do meio (por exemplo, pCO2, concentração inicial de Na2CO3 ou qualquer outro componente da formulação) sobre as outras variáveis (por exemplo: concentração de CO2(aq), HCO3-, pH, força iônica etc.). Como se observa nos Gráficos 1, 2 e 3, o aumento de pCO2 deriva do aumento de CO2(aq), fonte exclusiva de carbono para a síntese de biomassa, mas diminui o valor do pH, o que afetará a cinética de crescimento. No Gráfico 4, observa-se como a correção do pH por meio do acréscimo de base (Na2CO3) conduz a um aumento da força iônica aumentando a pressão osmótica, variável físico-química que também influi na velocidade de crescimento. Uma análise adequada da influência de pCO2 sobre o crescimento celular exige que outras variáveis sejam mantidas constantes, entre elas pH e I. Incrementar a concentração de CO2 na fase gasosa a pH constante permite aumentar o CO2(aq) mantendo, dentro de certa faixa, a força iônica constante. Da comparação dos valores revelados pelo modelo com os obtidos experimentalmente pode-se concluir que o modelo prevê com fidelidade o comportamento do sistema. Atualmente, está sendo desenvolvido um modelo que permita prever como reagirá o cultivo de microalgas perante determinada alteração na formulação do meio de cultivo, de modo a possibilitar a análise como um todo e em diferentes contextos definidos operativamente, de cada sistema dinâmico “meio de cultivo-cultivo de microalgas”. Para tanto, são considerados processos metabólicos, como mecanismos de concentração de CO2, o transporte através das membranas e a fotossíntese, bem como o efeito de variáveis operativas e físico-químicas, como a força iônica e a pressão osmótica. Os resultados das experiências com diferentes intensidades de luz e fotoperíodos aqui apresentados, além de novos estudos com diferentes tipos de luz (por exemplo, lâmpadas LED), que já foram iniciados, também serão incorporados ao modelo. Vem-se trabalhando na obtenção de modelos cinéticos que expressem a velocidade de reação como uma função das concentrações dos reativos e das variáveis relevantes do sistema. Para que a expressão cinética possa ser utilizada para o projeto e mudança de escala, os valores de seus parâmetros e a funcionalidade com as diferentes variáveis deveriam ser invariantes, independentemente do tipo e configuração do reator utilizado. Existem escassas contribuições dedicadas à obtenção de expressões cinéticas intrínsecas para esses processos, ou seja, independentes do dispositivo utilizado e das condições experimentais.

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Dispor desse tipo de ferramenta no momento de projetar uma usina, um equipamento ou um método de produção permite conhecer a influência de cada uma das variáveis de projeto no processo, desenvolvendo critérios de construção ou operação com uma base sólida e garantindo a máxima eficiência em termos econômicos e de produção. Uma modelagem rigorosa que considere as variáveis significativamente relevantes que intervêm no processo oferece as ferramentas necessárias para o projeto racional de FBRs, a otimização de seu funcionamento e a realização de mudanças de escala. Dentro do reator, o conjunto de matérias-primas desencadeia uma série de fenômenos (associados à absorção e dispersão da energia radiante; os equilíbrios químicos das espécies em solução e as alterações no pH, a força iônica e a pressão osmótica que estas provocam; a transferência de gases; entre outros) que definem a fisiologia do equipamento, cuja análise, controle e otimização são necessários para sua operação nas condições de máxima eficiência e/ou produtividade. A aplicação de métodos e ferramentas computacionais de última geração (Fluence, Algoritmos Genéticos e Monte Carlo) constituirá a base para a compreensão desses fenômenos. Dessa maneira, a conjugação dos resultados e modelos cinéticos obtidos futuramente converge na criação de um módulo de simulação computacional com capacidade simultânea de projetar e otimizar um fotobiorreator de maior tamanho, de diferente geometria e modo de operação. Isso requer tal grau de compreensão da fisiologia do reator no que diz respeito à otimização das matérias-primas, do equilíbrio de energia e da produtividade global do processo que permita a construção de um módulo digital o mais eficiente possível.

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GRADUAÇÃO

>>> UTILIZAÇÃO DE DIGESTORES ANAERÓBIOS PARA O TRATAMENTO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS URBANOS COM APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO BIOGÁS EM FLORIANÓPOLIS, SC Lúcio Costa Proença

RESUMO O gerenciamento adequado dos resíduos sólidos consiste em um dos maiores desafios ambientais atuais. Em um contexto de crescentes restrições ambientais quanto aos métodos de disposição de resíduos, a utilização de digestores anaeróbios no tratamento de resíduos orgânicos aparece como uma alternativa promissora. Esse método promove a estabilização dos resíduos orgânicos, que correspondem à metade dos resíduos urbanos no Brasil, dispensando a necessidade de sua disposição em aterros sanitários e gerando um combustível renovável durante o processo: o biogás. Este trabalho apresenta um estudo preliminar sobre a viabilidade da utilização de digestores anaeróbios para tratar a fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos no município de Florianópolis, SC. O estudo consistiu em uma pesquisa bibliográfica sobre o tema, seguida de uma projeção para Florianópolis composta de dimensionamento simplificado do sistema, estimativa de custos e receitas do projeto, e comparação entre o método proposto e o aterramento sanitário praticado atualmente. O dimensionamento apontou para a necessidade de instalação de um digestor de 7.748 m3, a um custo de instalação estimado em 15 milhões de reais, com o potencial de gerar 2,3 MW de energia elétrica a partir de biogás. Estimou-se um custo de tratamento de resíduos em torno de R$ 121,00 por tonelada, que conjugado às vantagens ambientais da digestão anaeróbia, aponta para a viabilidade da adoção desse método de tratamento no município analisado. Palavras-chave: tratamento de resíduos orgânicos, digestores anaeróbios, produção de biogás.

ABSTRACT Waste management is one of the greatest challenges of our times. In the context of increasing environmental restrictions regarding waste disposal, the use of anaerobic digestors to treat organic waste arises as a promising alternative. This method allows the stabilization of organic waste, which represents half of the urban waste produced in Brazil, avoiding its disposal in sanitary landfills and producing a renewable energy source, i.e., biogas. This work presents a preliminary study about the feasibility of using a biogas plant to treat organic waste in the city of Florianópolis, SC. Methodology consists in bibliographic review about anaerobic digestion, a preliminary dimensioning, costs estimation and comparison between anaerobic digestion and the current disposal methods (sanitary landfilling). Results of the dimensioning indicated the need of a digestor with 7,748 m3, with an estimated cost of R$ 15 million and with a potential to generate 2.3 MW of electricity from biogas. A treatment cost of R$ 121 per ton of organic waste was estimated, which indicates that, considering its environmental advantages, the Project is feasible for the city of Florianópolis. Keywords: organic waste treatment, anaerobic digestors, biogas plant, biogas production.

INTRODUÇÃO O gerenciamento adequado dos resíduos sólidos consiste em um dos maiores desafios ambientais de nossos tempos. No âmbito da gestão dos resíduos sólidos, faz-se necessária a adoção de métodos de tratamento que busquem recuperar os materiais descartados, reduzindo continuamente o volume de resíduos que devem ser dispostos em aterros sanitários ou incinerados. Estudos têm estimado que metade dos resíduos sólidos urbanos (RSU) gerados no Brasil consiste em resíduos orgânicos (IPT/CEMPRE, 2000). A fração orgânica dos RSU é composta basicamente de restos de alimentos, que podem ser naturalmente degradados por micro-organismos. Quando esse processo de degradação ocorre na ausência de oxigênio, é denominado digestão anaeróbia. A digestão anaeróbia vem sendo adotada no Brasil para tratar alguns tipos de efluentes agropecuários, mas sua aplicação no tratamento de resíduos urbanos ainda é incipiente. A principal vantagem desse método está em permitir a recuperação de todo o resíduo orgânico descartado, que é transformado em com74

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posto para agricultura, gerando, durante o processo, um combustível renovável, o biogás. Essa forma de tratamento aproxima-se da ideia de um ciclo fechado na gestão de resíduos, aproveitando todos os subprodutos gerados durante o processo. O tratamento de resíduos orgânicos por digestão anaeróbia já é aplicado em larga escala em países como Dinamarca, Suécia e Alemanha (AL SEADI et al., 2008). O objetivo geral deste trabalho é realizar um estudo preliminar sobre a viabilidade da utilização de digestores anaeróbios para tratar a fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos no município de Florianópolis, SC.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Resíduo sólido consiste em todo material sólido ou semissólido descartado por atividades antrópicas (WEINER; MATTHEWS, 2003). Os métodos mais difundidos de disposição final de RSU consistem nos aterros sanitários e nos incineradores. Além desses métodos de disposição final, faz-se uso também de métodos de recuperação de resíduos para evitar sua disposição final, destacando-se a reciclagem de materiais e a estabilização de resíduos orgânicos (compostagem e digestão anaeróbia). Os resíduos sólidos que possuem fração orgânica superior a 30% são denominados resíduos sólidos orgânicos (CASSINI, 2003). No Brasil, os resíduos orgânicos representam em torno de 50% dos resíduos urbanos coletados (PHILIPPI JÚNIOR apud IPT/CEMPRE, 2000). Segundo Al Seadi et al. (2008), os principais tipos de resíduos orgânicos são dejetos de criações de animais, lodos de tratamento de efluentes, resíduos de processos industriais e resíduos orgânicos domésticos. Segundo o IBGE (2002), do total de resíduos coletados no país (230.000 t/ dia), 47,1% são dispostos em aterros sanitários, 22,3% em aterros controlados, e 30,5% em lixões. Atualmente, no Brasil, entre as alternativas disponíveis, o aterro sanitário é aceito como a destinação final de resíduos mais adequada. Essa forma de disposição não consiste, no entanto, em solução final para o problema de destinação de resíduos. Segundo Weiner e Matthews (2003), os custos operacionais de aterros sanitários elevam-se continuamente, e a disponibilidade de áreas para essas instalações é cada vez mais escassa, levando os resíduos a ser transportados a distâncias cada vez maiores, para ser dispostos. Al Seadi et al. (2008) acrescentam que a evolução dos padrões ambientais para disposição final de resíduos bem como a necessidade da recuperação e da reciclagem de materiais têm contribuído para a busca de alternativas à disposição de resíduos em aterros sanitários. 75

Digestão anaeróbia A digestão anaeróbia da matéria orgânica consiste em um processo desenvolvido por um conjunto de micro-organismos em condições de ausência de oxigênio. Segundo Wiesmann et al. (2007), três grupos de bactérias são os principais responsáveis por esse processo: acidogênicas; acetogênicas; e metanogênicas. As bactérias acidogênicas promovem a hidrólise de partículas sólidas orgânicas pela liberação de enzimas. Dessa forma, carboidratos são transformados em monossacarídeos e dissacarídeos, proteínas quebram-se em aminoácidos, e lipídios, em ácidos graxos. Esses processos resultam ainda na liberação de gás carbônico (CO2) e gás hidrogênio (H2). Na fase acetogênica, ácidos graxos mais leves são transformados em acetatos, CO2 e H2. Já na fase metanogênica, H2, CO2 e acetatos gerados nas fases anteriores são utilizados no metabolismo bacteriano, gerando como principal subproduto o gás metano (CH4). As bactérias metanogênicas são frequentemente o fator limitante do processo, uma vez que sua taxa de crescimento é menor, comparada com os outros grupos de bactérias atuantes (JØRGENSEN, 2009). Segundo Al Seadi et al. (2008), os principais parâmetros intervenientes no processo da digestão anaeróbia são: temperatura; pH; concentração de ácidos graxos voláteis; concentração de amônia; e disponibilidade de nutriente. Já os principais parâmetros operacionais de digestores são a carga orgânica e o tempo de detenção hidráulica (TDH).

Tecnologias de digestores disponíveis Segundo Vandevivere et al. (2003), os digestores de resíduos orgânicos podem ser classificados em três tipos: digestores de estágio único, de estágios múltiplos ou em batelada. Nos digestores de estágio único, todas as etapas da digestão ocorrem em um mesmo reator, com alimentação contínua de substrato. São os tipos mais comuns de digestores. Entre os sistemas de estágios múltiplos, a configuração mais comum consiste na adoção de dois estágios, um para acidogênese seguido de outro para acetogênese e metanogênese. A vantagem deste sistema é a possibilidade de manter condições de operação ótimas, diferentes para cada estágio. Por fim, nos digestores em batelada, o substrato é inserido de uma única vez e passa por todas as etapas de degradação no mesmo digestor. Este método é utilizado geralmente em condições com alto teor de sólidos, entre 30% e 40% (VANDEVIVERE et al., 2003). Outra forma de classificação consiste no teor de sólidos do substrato: baixo teor de sólidos (teor de sólidos menor do que 15%) ou alto teor de sólidos (teor de sólidos entre 20% e 40%). Por fim, os digestores existentes podem ser di76

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vididos quanto à temperatura de operação em mesofílicos (de 20 a 40 ºC) ou termofílicos (mais de 40 ºC).

Experiências de digestores anaeróbios de resíduos orgânicos Nas últimas décadas, diversos grupos de pesquisa têm-se dedicado a otimizar o processo de digestão anaeróbia de resíduos orgânicos. Dessa forma, os diferentes parâmetros relacionados com o processo têm sido investigados (KIM et al., 2006; CHARLES et al., 2009). Outros autores têm destacado as vantagens da codigestão de resíduos orgânicos com lodos de estações de tratamento de efluentes (ZUPANČIČ et al., 2008; SHARMA et al., 2000) e com dejetos de animais (HARTMANN; AHRING, 2005). A codigestão possibilita a adição de um inóculo do processo anaeróbio (micro-organismos ativos) aos resíduos orgânicos, permitindo, igualmente, melhor equilíbrio nutricional com a adição de compostos ricos em nutrientes (KAYHANIAN; RICH, 1995). Em termos comerciais, a Europa é a região mais desenvolvida na aplicação de digestores anaeróbios para tratamento de resíduos sólidos. Tal liderança decorre das crescentes restrições ambientais de disposição de resíduos orgânicos em aterros, bem como dos estímulos para a produção de energias renováveis. Segundo De Baere e Mattheeuws (2010), a capacidade instalada na Europa ao final de 2010 estava estimada em 6.000.000 t/ano, divididos em aproximadamente 200 plantas de biogás distribuídas em 17 países europeus. Constata-se que tem sido observado incremento na adoção desse tipo de tecnologia desde o início da década de 90, apresentando nos últimos cinco anos uma média de 15 novas plantas instaladas por ano, com capacidade média de tratamento por planta de 30.000 t/ano. Considerando as características das plantas instaladas nos últimos cinco anos, os autores ressaltam que as plantas termofílicas representam em torno de 40%; digestores de estágio único predominam em 95% das plantas; e digestores com alto teor de sólidos equipam 60% das plantas de biogás. No Brasil, a experiência acumulada quanto ao tratamento de RSU em digestores anaeróbios ainda é limitada, consistindo, sobretudo, em trabalhos acadêmicos sobre o tema (LEITE et al., 2003, 2009) e estudos de viabilidade (REICHERT; SILVEIRA, 2005).

Aspectos econômicos O tratamento de resíduos orgânicos por meio de digestores anaeróbios gera dois subprodutos valorizados economicamente: o composto estabilizado; e o biogás. A viabilidade da utilização da digestão anaeróbia para tratar resíduos orgânicos ainda depende fortemente dos incentivos governamentais que suportam 77

essa opção. Por esse motivo, a viabilidade econômica da adoção de digestores anaeróbios varia significativamente entre países e regiões. Experiências relatadas na literatura (AND INTERNATIONAL, 2004; MORIN et al., 2010; COELHO, 2001) apontam que, sob aspectos puramente econômicos, a utilização de digestores anaeróbios no tratamento de resíduos orgânicos não costuma ser uma opção atrativa, quando comparada a outras alternativas de tratamento e disposição, tais como aterro sanitário, compostagem e incineração. Já quando a análise de viabilidade é realizada sob condições mais abrangentes, incluindo, por exemplo, variáveis energéticas, sociais e ambientais, a utilização de digestores anaeróbios passa a apresentar grandes vantagens. No Brasil, para um projeto denominado Ecoparque, Reichert et al. (2004) realizaram uma análise multicritério para comparar quatro alternativas de disposição dos resíduos orgânicos do município de Porto Alegre, RS: aterro sanitário; incinerador; reator de plasma; e digestor anaeróbio. Para tanto, construiu-se uma matriz de decisão, atribuindo pontuações de importância para os diversos critérios considerados. A matriz final apontou a opção de digestão anaeróbia como solução mais favorável, com grande diferença de pontuação em relação às outras tecnologias consideradas. Nessa análise, as vantagens que mais destacaram a opção dos digestores anaeróbios sobre as demais alternativas são a possibilidade de recuperação de massa, a geração de empregos, a baixa geração de passivo ambiental e o baixo risco operacional. Pode-se observar que suas maiores vantagens não estão nas variáveis econômicas (custos de instalação e operação), mas, conjugadas com outras variáveis, acabam por tornar a opção de digestão anaeróbia a mais indicada para o caso exposto. A entrada em vigor do Protocolo de Quioto, em 2005, abriu ainda a possibilidade de venda de Redução de Emissões Certificadas de gases do efeito estufa (GEE) de projetos brasileiros para países com metas de redução (CGEE, 2008). A queima de metano é uma das formas previstas de redução de emissões. No caso de digestores anaeróbios para tratamento de resíduos, há uma dupla possibilidade de ganho, tanto com a recuperação e queima de praticamente 100% do gás metano gerado, quanto com a substituição de combustível fóssil por combustível renovável, o biogás, já que o aproveitamento energético do biogás evitaria emissões de GEE.

Aspectos ambientais Nas últimas duas décadas, diversos estudos foram realizados visando levantar os aspectos ambientais de plantas de biogás. Mais recentemente, estudos de análise de ciclo de vida desse tipo de instalação têm contribuído para a quantificação desses aspectos. Esses estudos têm indicado que a substituição de sistemas convencionais de geração de energia e manejo de resíduos por sistemas de biogás ten78

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de a amenizar diretamente diversos problemas ambientais atuais, tais como mudanças climáticas, eutrofização, acidificação e poluição atmosférica. Verifica-se, ainda, que a utilização de resíduos, tais como aqueles provenientes de estações de tratamento de efluentes, matadouros, criações de animais e alimentares, para a produção de biogás apresenta uma demanda energética geralmente inferior a 30% da energia contida no biogás, demonstrando a sustentabilidade energética desse processo (BERGLUND; BÖRJESSON, 2006).

METODOLOGIA A metodologia adotada baseia-se principalmente nas recomendações contidas no manual de Deublein e Steinhauser (2008).

Geração de resíduos orgânicos em Florianópolis A partir da Comcap (2002), obtiveram-se valores da produção anual per capita de resíduos sólidos e a fração orgânica dos resíduos urbanos do município de Florianópolis. Esses dados foram utilizados no dimensionamento dos digestores do projeto, que, neste estudo, é denominado Projeto Florianópolis. Adotando-se um horizonte de projeto de 10 anos, estimou-se a quantidade anual de resíduos com base em dois parâmetros: geração per capita diária de resíduos (COMCAP, 2002); e projeção populacional para a cidade de Florianópolis para o período considerado (CAMPANÁRIO, 2007). A multiplicação da geração per capita de resíduos por 365 dias/ano e pela população do ano correspondente resultou na quantidade relativa à massa de resíduos gerada a cada ano.

Dimensionamento dos digestores O dimensionamento do digestor foi feito com base no valor da geração anual de resíduos sólidos no município de Florianópolis. Desse valor, calculou-se a fração orgânica, obtendo-se um valor da geração anual de resíduos orgânicos de Florianópolis (GRO). Esse valor corresponde à quantidade de substrato que alimentará o digestor. Segundo Deublein e Steinhauser (2008), os resíduos orgânicos domésticos costumam possuir um teor de sólidos em torno de 20%. Esse parâmetro corresponde aos sólidos totais presentes no substrato. Seu valor anual é calculado segundo a Equação 1. (Eq. 1) 79

onde: ST – sólidos totais (t/ano); e GRO – geração anual de resíduos sólidos (t/ano). Dos sólidos presentes no substrato, apenas a fração orgânica está sujeita ao processo de degradação anaeróbia no digestor. Essa fração corresponde tipicamente a 85% (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008), conforme ilustrado pela Equação 2. , (Eq. 2) onde: FO – fração orgânica dos sólidos (t/ano); e ST – sólidos totais (t/ano). A eficiência de sistemas anaeróbios costuma ser calculada com base em dados de DQO. Para resíduos orgânicos, a DQO pode ser estimada segundo a relação DQO/FO=1,15 kg/kg. A DQO anual foi então calculada segundo a Equação 3. , (Eq. 3) onde: DQO – demanda química de oxigênio (t/ano); e FO – fração orgânica dos sólidos (t/ano). O cálculo do volume necessário para o digestor depende do volume de substrato a ser inserido. Pelo fato de os resíduos orgânicos apresentarem um teor de sólidos em torno de 20%, faz-se necessária uma diluição inicial, para que o substrato adquira um teor de sólidos em torno de 17% (teor de sólidos requerido pela tecnologia considerada). Essa diluição pode ser feita com recirculação de efluente do próprio sistema. A quantidade de líquido a ser adicionada ao substrato (assumindo o teor de sólidos como próximo de zero) pode ser calculada segundo a Equação 4. (Eq. 4) onde: Ldiluição – quantidade de líquido de diluição (t/ano); ST – sólidos totais (t/ano); e GRO – volume anual de resíduos sólidos gerados (m3/ano). 80

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A quantidade total de substrato alimentada anualmente ao digestor corresponde, portanto, à soma dos resíduos orgânicos gerados com o líquido de diluição (GRO + Ldiluição). Assumindo-se que o peso específico do substrato é igual ao peso específico da água (1 t/m3), o valor da massa de substrato calculada (em t/ ano) corresponde ao volume de substrato (m3/ano), denominado Vs. O volume do digestor é, então, calculado segundo a Equação 5. (Eq. 5) onde: Vdigestor – volume do digestor (m3); Vs – volume diário de substrato (m3/dia); e TDH – tempo de detenção hidráulica (dias).

Estimativa de geração de biogás Uma vez conhecida a quantidade de DQO do substrato, pode-se estimar a geração anual de biogás. Para tanto, consideram-se uma eficiência de conversão de DQO em metano de 85% e a relação Nm3CH4/kgDQO=0,35 (Equação 6). (Eq. 6) onde: Vmetano – volume anual de metano gerado (Nm3/ano); e DQO – demanda química de oxigênio (kg/ano). Cada metro cúbico de metano corresponde a 9,94 kWh de energia. Considerando-se o volume horário de metano gerado pelo sistema, pode-se calcular o potencial energético do biogás gerado, conforme a Equação 7. (Eq. 7) onde: PE – potencial energético (kW); e Vmetano – volume horário de metano gerado (Nm3/h). Do potencial energético calculado, apenas uma parte pode efetivamente ser aproveitada como energia térmica ou elétrica. Esse valor depende da tecnologia de conversão adotada. Para a tecnologia de turbinas a gás, por exemplo, a eficiência de conversão pode chegar a 40%, ou seja, 40% da energia primária é con81

vertida em eletricidade. No caso de adoção de tecnologias de cogeração (aproveitamento elétrico e térmico), até 50% da energia pode ser aproveitada na forma de calor (geração de vapor). Para esta configuração, considerando turbinas a gás, até 90% da energia pode ser aproveitada, sendo 50% na forma térmica e 40% na forma elétrica, enquanto 10% seriam perdidos pelos processos do sistema. Segundo Deublein e Steinhauser (2008), a energia consumida por uma planta de biogás, nas etapas de aquecimento do substrato, agitadores, bombeamento, entre outras, corresponde a 20% a 30% da energia produzida pela planta por meio da queima do biogás.

Estimativa de custos e receitas Os custos de instalação do Projeto Florianópolis foram estimados de forma simplificada, com base no método apresentado por Deublein e Steinhauser (2008). Os autores apresentam valores de referência para a estimativa de custos de plantas de biogás, referentes aos investimentos no digestor (obras civis e equipamentos eletromecânicos) e no conjunto motor-gerador, para o aproveitamento energético do biogás. Esses valores correspondem à realidade alemã desse tipo de tecnologia. Para levar em consideração os custos de importação e adaptações necessárias à realidade brasileira, adicionou-se ao valor total calculado um fator de segurança de 30%. Os custos de operação do Projeto Florianópolis foram estimados com base nos custos de operação do Projeto Ecoparque (REICHERT et al., 2004). Reichert et al. (2004) apresentam os custos de operação do Projeto Ecoparque, dimensionado para receber todos os resíduos urbanos do município de Porto Alegre, realizar sua triagem e tratar a fração orgânica por meio de digestores anaeróbios, com aproveitamento energético do biogás para a geração de energia elétrica. Pelas dificuldades em estimar os custos de operação desse tipo de projeto, que possivelmente não possui nenhuma aplicação em escala comercial no Brasil, e visando estabelecer a ordem de grandeza de tais custos, considerou-se que os custos de operação seriam diretamente proporcionais à capacidade de tratamento do projeto. Dessa forma, sendo o Projeto Florianópolis dimensionado para uma capacidade de tratamento correspondente a 44,3% da capacidade do Projeto Ecoparque, seus custos de operação representariam 44,3% dos custos do Projeto Ecoparque. Destaca-se que o custo estimado a partir dos valores apresentados por Reichert et al. (2004) corresponde à adoção de todos os equipamentos e processos previstos para o tratamento de RSU do Projeto Ecoparque, tais como processos de triagem e separação (separação manual, peneira rotativa, separador eletromagnético), pré-tratamento (trituração, separador balístico) e pós-tratamento (prensa, centrífuga, compostagem, maturação). 82

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Para estimar as receitas de operação do Projeto Florianópolis, foram levantadas na literatura possíveis destinações para os subprodutos gerados na digestão anaeróbia, considerando o composto, o efluente e o biogás. Concluiu-se que as opções de destinação mais factíveis para o município de Florianópolis seriam: a) composto: estabilização da fração sólida resultante do processo por meio de compostagem e comercialização desse composto como fertilizante agrícola. O preço adotado corresponde ao preço praticado pelo Departamento Municipal de Limpeza Urbana (DMLU), que comercializa composto proveniente da estabilização de resíduos orgânicos da região de Porto Alegre; b) efluente: tratamento do efluente em ETE e posterior lançamento em corpo receptor. Destaca-se que seria possível direcionar o efluente para usos agrícolas, aproveitando seus nutrientes, embora essa opção não tenha sido considerada no Projeto Florianópolis, por demandar maior controle da qualidade do efluente, bem como maior organização logística para o transporte desse efluente para as zonas rurais. Os efluentes, portanto, não gerarão receitas neste projeto; e c) biogás: geração de energia elétrica por meio de um conjunto motorgerador, permitindo uma conversão de 40% da energia presente no biogás em energia elétrica. A energia gerada seria comercializada pelo Programa Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, do Governo Federal), como energia gerada a partir de biomassa, sendo adotados os valores pagos por energia gerada apresentados por Reichert et al. (2004).

Comparação de custos entre digestores anaeróbios e aterros sanitários Visando comparar os custos associados à adoção de digestores com a alternativa de disposição de resíduos praticada atualmente em Florianópolis, os aterros sanitários, realizou-se um balanço entre os custos e as receitas de operação do Projeto Florianópolis. A diferença entre os custos e as receitas anuais do projeto corresponde ao déficit para que o processo de tratamento tenha sustentabilidade financeira. Dividindo-se esse déficit pela capacidade de tratamento anual do Projeto, obtém-se o valor mínimo a ser cobrado como taxa de tratamento de resíduos orgânicos em Florianópolis. O valor dessa taxa pode ser diretamente comparado ao valor atualmente pago pelo município de Florianópolis para dispor seus resíduos no aterro de Biguaçu, obtido junto à Secretaria de Habitação e Saneamento Ambiental do município de Florianópolis.

DESENVOLVIMENTO O desenvolvimento das etapas descritas na metodologia é apresentado nos itens subsequentes.

Geração de resíduos orgânicos em Florianópolis Para a estimativa da geração anual de resíduos sólidos orgânicos assumiu-se que tanto a geração per capita de RSU quanto o valor de sua fração orgânica manter-se-iam constantes durante o horizonte de projeto, estabelecido em 10 anos. O aumento no volume de resíduos, portanto, ocorre somente pelo aumento populacional no período. A Tabela 1 ilustra os dados de entrada e o resultado da estimativa de geração anual de resíduos sólidos orgânicos. Como pode ser observado, estima-se uma geração anual de resíduos orgânicos de aproximadamente 86.000 t/ano em 2021.

Dimensionamento dos digestores e potencial energético Os parâmetros adotados para o dimensionamento do digestor e para o cálculo do potencial energético estão apresentados na Tabela 2. Os parâmetros adotados baseiam-se tanto em valores retirados da literatura técnica quanto em valores empíricos praticados por engenheiros projetistas de plantas de biogás. Tabela 1 – Estimativa de geração anual de resíduos sólidos orgânicos (2011 a 2021). Ano 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

Geração per Fração orgânica Projeção capita de RSU dos RSU populacional kg/d 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77

% 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35 46,35

habitantes 538.519 551.319 564.120 576.920 589.720 601.768 613.815 625.863 637.910 649.958 661.012

Geração de resíduos orgânicos

t/dia 192 197 201 206 210 215 219 223 228 232 236

t/ano 70.151 71.819 73.486 75.153 76.821 78.390 79.960 81.529 83.098 84.668 86.108

Os parâmetros calculados estão apresentados na Tabela 3. Com um volume de digestor necessário de 7.748 m3, verifica-se que é possível tratar todo o volume 84

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orgânico gerado em apenas um reator, construído em aço ou em concreto, de formato cilíndrico, com dimensões aproximadas de 12 m (altura) x 29 m (diâmetro). Tabela 2 – Parâmetros adotados no dimensionamento do digestor. Parâmetros adotados

Unidade

Valor

Observações

Geração de resíduos orgânicos (GRO)

t/ano

86.000

Sólidos totais (ST)

Fração orgânica (FO/ST)

Comcap (2002) Deublein e Steinhauser (2008) Deublein e Steinhauser (2008)

DQO/FO

kg/kg

1,15

Geração de metano por DQO degradada

Nm3CH4/ kgDQO

0,35

Eficiência de conversão de DQO (Ef)

Teor de CH4 no biogás

Potencial energético do CH4

kWh/Nm3CH4

9,94

Eficiência de conversão de metano em energia elétrica

Sólidos totais do substrato no reator

Tempo de detenção hidráulica (TDH)

dias

Deublein e Steinhauser (2008) Considerando turbinas a gás Deublein e Steinhauser (2008)

O volume de metano gerado e o potencial energético foram calculados segundo a metodologia adotada, estando os resultados resumidos na Tabela 3. Segundo Deublein e Steinhauser (2008), os atuais métodos de recuperação de energia do biogás permitem aproveitar até 90% da energia contida nesse combustível, sendo possível converter 40% em energia elétrica e 50% em energia térmica. Pelo fato de o clima em Florianópolis não demandar sistemas de aquecimento em edificações, a energia térmica poderia ser aproveitada em processos industriais, embora tal opção não tenha sido considerada no Projeto Florianópolis devido às dificuldades de estimar os custos e receitas inerentes a essa opção. Tabela 3 – Parâmetros calculados no Projeto Florianópolis. Parâmetros calculados

Unidade

Valor

ST FO DQO Ldiluição Vdigestor

t/ano t/ano t/ano

17.200 14.620 16.813

t/ano m3

15.000 7.748

Parâmetros calculados

Unidade

Valor

Vmetano Potencial energético Potencial elétrico (40%) Potencial térmico (50%)

Nm /ano kW kW kW

5.001.868 5.676 2.270 2.838

Já o potencial de energia elétrica seria o suficiente para abastecer em torno de 5.100 residências em Florianópolis, considerando o consumo médio de 325,7 kWh/mês, segundo Fedrigo et al. (2008). Há de se descontar, no entanto, o consumo de energia elétrica da própria planta, em torno de 20% da energia gerada. Nesse caso, a potência elétrica disponível para comercialização seria de 1.816 kW, o suficiente para abastecer aproximadamente 4.070 residências.

Estimativa de custos e receitas Com o objetivo de comparar os custos entre a disposição final de resíduos em aterro e a utilização de digestores no município de Florianópolis, uma análise dos custos simplificada foi realizada tomando-se como base os estudos de Reichert et al. (2004) e de Deublein e Steinhauser (2008). Os custos de instalação e de operação foram avaliados. Os custos de instalação referentes à adoção do processo de digestão anaeróbia dos resíduos orgânicos foram estimados utilizando-se os dados apresentados por Deublein e Steinhauser (2008). Os autores apresentam valores de referência para a estimativa de custos de plantas de biogás. A Tabela 4 apresenta os valores de referência para os investimentos no digestor (obras civis e equipamentos eletromecânicos) e no conjunto motor-gerador, para o aproveitamento energético do biogás. Tabela 4 – Valores de referência para estimativa de custos segundo Deublein e Steinhauser (2008). Parâmetro Investimento no digestor (40% equipamentos) Investimento no conjunto motor-gerador

Unidade US$/m3 US$/kWel

Valor 300 - 500 650 – 1.300

Para estimar os custos do Projeto Florianópolis, adotaram-se os valores mais conservadores apresentados na Tabela 4 (500 US$/m3 e 1.300 US$/kWel). Ao valor total de investimento estimado para o projeto adicionou-se um fator de segurança de 30%, referente a incertezas e aos possíveis custos de importação de equipamentos. A Tabela 5 apresenta os resultados completos. A estimativa dos custos de instalação de uma planta de biogás no município de Florianópolis apontou para investimentos da ordem de aproximadamente 15 milhões de reais, 86

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referentes aos investimentos em obras civis e equipamentos eletromecânicos para o digestor e para a unidade de geração de energia elétrica. Tabela 5 – Custos de instalação do Projeto Florianópolis. Parâmetro Unidade Valor Investimento em obras civis R$ 3.904.964,38 Investimento em equipamentos R$ 2.603.309,59 Investimento no conjunto motor-gerador R$ 4.958.234,77 Subtotal R$ 11.466.508,74 Total (acrescido de 30%) R$ 14.906.461,37 Cotação em 11/01/2011: US$ 1,00 = R$ 1,68.

Pela dificuldade de estimar os custos de operação de um projeto de digestão anaeróbia de resíduos sólidos em Florianópolis, optou-se por tomar como base os valores levantados por Reichert et al. (2004), que o fizeram de forma conservadora. A Tabela 6 apresenta o detalhamento dos custos de operação do Projeto Ecoparque. Estes custos, no entanto, englobam diversos outros processos que não fazem parte do escopo do Projeto Florianópolis, uma vez que o Projeto Ecoparque foi dimensionado para receber todos os resíduos urbanos do município de Porto Alegre, incluindo equipamentos e mão de obra para realizar a separação e a triagem dos diferentes tipos de resíduos no local. A partir do custo total apresentado na Tabela 6, admitiu-se que os custos de operação de um projeto análogo ao Ecoparque no município de Florianópolis seria diretamente proporcional à capacidade de tratamento dos projetos. Dessa forma, sendo o Projeto Ecoparque dimensionado para uma capacidade de tratamento de 420.000 tRSU/a e a geração de resíduos em Florianópolis equivalente a 186.000 tRSU/a, o custo de operação dessa alternativa em Florianópolis representaria 44,3% do custo de instalação do Projeto Ecoparque. Tabela 6 – Custos de operação do Projeto Ecoparque. Item Mão de obra Custos administrativos Rejeitos p/ aterro (transporte e disposição) Energia elétrica Tratamento lixiviado Manutenção estrutura Manutenção equipamentos Total

Custo total (R$/mês) 1.061.828,00 106.182,80 985.000,00 82.014,00 34.920,00 28.400,63 183.867,63 2.482.213,06

A Tabela 7 apresenta os custos de operação estimados para o Projeto Florianópolis. Destaca-se que os custos de operação estão superestimados. Isso decorre do fato de o Projeto Ecoparque ter sido dimensionado para recepcionar todos os RSU do município de Porto Alegre, implicando custos superestimados quando comparado a um projeto somente de digestão anaeróbia, com consequente redução de custos com mão de obra, disposição em aterro e manutenção de equipamentos. Mesmo com essas limitações, optou-se por esse método de estimativa de custos de operação pelo fato de ser conservador e por levar em consideração a legislação trabalhista brasileira. Tabela 7 – Estimativa de custos de operação do Projeto Florianópolis a partir dos custos do Projeto Ecoparque. Projeto Capacidade (t/a) Proporção Custos de operação (R$/ano) Ecoparque 420.000 100,0% 29.786.556,71 Florianópolis 186.000 44,3% 13.191.189,40

Os métodos de estimativa de custos aqui descritos apresentam limitações, pois, atendendo aos objetivos do estudo, visam unicamente estabelecer a ordem de grandeza dos investimentos necessários para a adoção da tecnologia de digestão anaeróbia no município de Florianópolis. Projetos de digestão anaeróbia costumam gerar receitas provenientes do aproveitamento econômico dos subprodutos gerados. Neste estudo, consideraram-se como subprodutos passíveis de aproveitamento econômico o composto resultante da fração sólida do processo de digestão e o biogás. A receita proveniente da comercialização do composto para utilização como fertilizante agrícola tomou como base o preço praticado pela companhia DMLU (Porto Alegre, RS), que comercializa os subprodutos gerados pela compostagem de resíduos domésticos a R$ 30,00 por tonelada de composto. A geração de energia elétrica pela queima do biogás foi a forma de aproveitamento energético considerada para o Projeto Florianópolis. Admitiu-se que a energia gerada seria comercializada como energia de fonte de biomassa dentro do programa Proinfa, do Governo Federal. Segundo Reichert et al. (2004), o preço praticado por energia de biomassa no programa Proinfa é de R$ 169,08 por MWh gerado. A Tabela 8 apresenta o detalhamento da estimativa das receitas anuais do Projeto Florianópolis. A partir do conhecimento dos custos e receitas do Projeto, é possível estabelecer o preço mínimo a ser cobrado pelo tratamento dos resíduos orgânicos, de forma que o projeto seja economicamente sustentável. A Tabela 9 resume esses resultados. 88

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Tabela 8 – Receitas operacionais do Projeto Florianópolis. Item

Quantidade (t/a)

Custo unitário (R$/t)

Receita total (R$/ano)

Composto estabilizado (preço DMLU)

3.088

30,00

92.652,35

Energia elétrica (biogás) excl. 20% de consumo da planta (PROINFA)

15.910

169,08

2.690.052,68

Comparação de custos entre digestores anaeróbios e aterros sanitários Verifica-se que, para que o tratamento dos resíduos orgânicos tenha sustentabilidade financeira, deve-se cobrar uma taxa mínima de R$ 121,03 por tonelada de resíduo tratado. Esse valor pode ser comparado com o valor atualmente praticado pelo município de Florianópolis para dispor seus resíduos no aterro sanitário de Biguaçu, equivalente a R$ 107,79 por tonelada (valor vigente em outubro de 2010, segundo informado pela Secretaria de Habitação e Saneamento Ambiental de Florianópolis). Tabela 9 – Cálculo da taxa mínima a ser cobrada pelo tratamento de resíduos do Projeto Florianópolis. Parâmetro Custos de operação (R$/ano) Venda de energia elétrica à rede (R$/ano) Venda de composto orgânico (R$/ano) Total Resíduos orgânicos tratados (t/ano) Preço mínimo de tratamento (R$/t)

Valor -13.191.189,40 2.690.052,68 92.652,35 -10.408.484,37 86.000 121,03

Em uma primeira análise, verifica-se que os custos da digestão anaeróbia superam em torno de 13% os custos da disposição em aterros sanitários, podendo tornar a opção inviável economicamente se for analisada somente desse ponto de vista contábil. Entretanto, discute-se haver, no mínimo, duas razões para concluir que a utilização de digestores anaeróbios pode apresentar um preço competitivo ao aterramento sanitário, senão atualmente, em um futuro muito próximo. A primeira razão consiste no fato de a maior parte dos equipamentos e tecnologias para a implantação de projetos de digestores anaeróbios de resíduos ser

importada. Isso ocorre porque essa tecnologia ainda não é amplamente difundida no Brasil. Pode-se prever, no entanto, um aumento no número de projetos e o consequente desenvolvimento de uma indústria nacional voltada à digestão anaeróbia de resíduos, porque a Política Nacional de Resíduos Sólidos do país, aprovada em 2010, estabelece que os resíduos sólidos orgânicos devem sofrer processo de compostagem com posterior utilização de seu composto (evitando sua disposição final), além de prever o aproveitamento energético de resíduos, quando comprovada sua viabilidade técnica e ambiental (BRASIL, 2010). Soma-se a isso o crescente incentivo à geração de energias renováveis, condizente com o papel de liderança que o Brasil tem exercido quanto ao combate às mudanças climáticas, notadamente com a sanção da Política Nacional sobre Mudança do Clima (BRASIL, 2009). A segunda razão consiste na tendência de aumento dos custos da disposição de resíduos em aterros sanitários, motivada principalmente pela dificuldade de encontrar terrenos propícios para essa atividade e pelas crescentes exigências técnicas impostas pelos órgãos ambientais para minimizar os impactos dessa atividade (WEINER; MATTHEWS, 2003). Em Florianópolis, esse argumento torna-se ainda mais nítido quando se compara a taxa atual (R$ 107,79 por tonelada) à taxa firmada em 2004, equivalente a R$ 68,50 por tonelada (SMHSA, 2009), o que representa um aumento de 57% em seis anos. Por fim, os benefícios ambientais inerentes à digestão anaeróbia de resíduos superam muito os benefícios da disposição em aterros sanitários, tornando aquela alternativa um método atrativo de tratamento de resíduos sob os aspectos econômico e ambiental.

CONCLUSÃO Este trabalho teve o objetivo de realizar um estudo preliminar sobre a viabilidade de utilização de digestores anaeróbios no tratamento de resíduos orgânicos urbanos no município de Florianópolis, SC. Um dimensionamento simplificado de um sistema de digestão anaeróbia para o tratamento de resíduos orgânicos do município de Florianópolis foi realizado. Para tratar 86.000 t/a (quantidade de resíduos orgânicos estimada para 2021), um digestor de 7.748 m3 seria necessário. As estimativas de custo de instalação dessa tecnologia apontaram para um investimento da ordem de 15 milhões de reais. Já os custos de operação estimados são da ordem de 13 milhões de reais por ano.

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A geração de metano estimada corresponde a 5.000.000 Nm3CH4/ano, equivalendo a um potencial de geração de energia elétrica de 2,3 MW. No caso de a energia elétrica gerada ser comercializada dentro do programa Proinfa, estimou-se uma receita anual de 2,7 milhões de reais. Já a comercialização do composto estabilizado geraria uma receita anual de 90 mil reais. Os custos de tratamento de resíduos pela nova planta foram estimados em R$ 121 por tonelada de resíduo, valor 13% maior do que a taxa atualmente paga pelo município de Florianópolis para aterrar seus resíduos no aterro sanitário de Biguaçu (R$ 107,79 por tonelada). O dimensionamento simplificado proposto bem como as estimativas de produção de biogás e de custos associados a essa opção pretendem servir como primeira reflexão sobre a aplicação dessa tecnologia no município de Florianópolis. Os valores estimados apontam para a viabilidade da adoção de digestores anaeróbios em Florianópolis, visando diminuir a quantidade de resíduos destinados ao aterramento sanitário e promover a recuperação de resíduos e a geração de energia renovável.

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PÓS-GRADUAÇÃO

>>> USO DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS PARA ELETRIFICAÇÃO RURAL NO NORTE DA ARGENTINA EM UM CONTEXTO DE CRISE ENERGÉTICA MUNDIAL Christophe J. J. Bello

RESUMO No contexto energético atual, marcado por diversas crises, os recursos energéticos convencionais apresentam perspectivas tão pessimistas que as energias renováveis aparecem como alternativas cada vez mais competitivas. Isso ocorre na eletrificação rural descentralizada nos países do Sul, que se beneficiam de um aumento excepcional de novas instalações solares fotovoltaicas. Na presente monografia, são comentados os atuais motivos do êxito da energia solar fotovoltaica e tenta-se conscientizar sobre o uso dela na região norte da Argentina. Com esses objetivos, foram definidos dois eixos de trabalho. Na primeira parte, constata-se a disponibilidade dos principais recursos energéticos presentes na matriz mundial e as preocupações ambientais ligadas a seus usos, para fortalecer a ideia de que as fontes renováveis são as energias do futuro. Na segunda parte, o trabalho de análise centra-se na importância dos sistemas fotovoltaicos autônomos (SFA) para a eletrificação rural e em seu uso no norte argentino, onde a maioria das escolas rurais isoladas está equipada com esse tipo de sistema de geração elétrica. Através de uma síntese dos SFA instalados nessa região e das informações disponíveis sobre seus estados atuais, constata-se que existem falhas na organização de sua manutenção, associadas a fatores externos imprevistos, que afetam sua confiabilidade. Finalmente, o ano de 2011 será caracterizado na Argentina por uma grande expansão do uso de SFA, e a divulgação das primeiras lições aprendidas é primordial para que sejam considerados fatores de importância no momento de implementar esses novos sistemas. PALAVRAS-CHAVE: Sistemas fotovoltaicos autônomos. Eletrificação rural descentralizada. Energias renováveis.

ABSTRACT In the current context of global energy crisis, conventional energy resources have so pessimistic perspectives that renewable energies appear as whenever more competitive. It happens like that in the field of rural electrification in Southern Countries, which benefit from an exceptional increase of new solar photovoltaic installations. In this paper, we present the reasons for the current success o photovoltaic solar energy and we seek to raise awareness for its use in the northern region of Argentina. In the first part, we find the willingness to come from the major energy resources present in the global matrix and environmental concerns related to its uses, strengthen the idea that renewable energies are the future. In second part, the analysis focuses on the importance of stand-alone photovoltaic systems (SAPV) for rural electrification, and its use in Northern Argentina where most isolated rural schools are equipped with this type of generation systems power. Through a synthesis of the SAPV systems installed in this region and the available information about their current status that is established that there is a lack of organization in their maintenance, associated with unforeseen external factors which affect their reliability. Finally, in 2011 Argentina will be characterized by a great expansion of the use of SAFV systems, and communicate about the first lessons learned is essential to take into account relevant factors at the time of implementing these new systems. KEY WORDS: Stand-Alone Photovoltaic Systems. Decentralized Rural Electrification. Renewable Energy.

INTRODUÇÃO A crise energética mundial surge na atualidade como um problema social dos mais preocupantes. Por um lado, os limites dos recursos que apresentam as fontes de energia tradicionais implicam uma busca de alternativas. Por outro lado, as energias fósseis são vinculadas a graves problemas ambientais, principalmente com a geração de gases de efeito estufa, que provocam um perigoso aquecimento global do planeta. No Congresso Mundial de Energia de Montreal 2010, no Canadá, por exemplo, as principais multinacionais do setor energético aceitaram novas problemáticas, deixando de questionar justamente a legitimidade da mudança climática. Também foi discutido o acesso à energia para as zonas rurais dos países do hemisfério Sul, com uma intervenção do diretor da maior empresa

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privada mundial de carvão, que mencionou uma situação preocupante para mais de um bilhão e meio de pessoas em todo o mundo, vítimas da pobreza energética. Essa situação global favorece o uso de energias renováveis, não apenas pelo potencial ainda não explorado que apresentam, mas também por permitir o acesso a um modo de energia moderna às pessoas esquecidas pela sociedade. Nas zonas rurais isoladas dos países do Sul, a grande dispersão da população prioriza o uso de sistemas individuais de geração elétrica, e os programas atuais de eletrificação rural vão generalizando o uso de sistemas solares fotovoltaicos do tipo autônomo (SFA). Na Argentina, principalmente por meio do Projeto de Energias Renováveis em Mercados Rurais (Permer), várias províncias já se beneficiaram de instalações fotovoltaicas para escolas, centros comunitários, postos de saúde e moradias, com uma geração aproximada de 1 MWp (REEEP, 2009). Somando os SFA instalados por meio de programas provinciais ou de iniciativas privadas, estimava-se que em 2006 sete mil residências receberiam eletricidade via geração fotovoltaica (SCARABÉE, 2008). Além disso, o ano de 2011 será significativo para a eletrificação rural descentralizada (ERD) no país, com a instalação pelo Permer de mais de 15.000 SFA domésticos em 12 províncias distintas, o que representa uma potência de 1,9 MWp (PERMER, 2009).

METODOLOGIA Como em muitos países da América do Sul, a Argentina assiste à implementação de importantes programas de ERD com sistemas fotovoltaicos em um momento crucial de crise energética global e mundial. Considerando-se esse contexto, o presente trabalho pretende esclarecer qual é a situação da energia solar fotovoltaica na geração elétrica, de forma geral, e na eletrificação rural descentralizada, de forma particular, focalizando finalmente as instalações do tipo SFA do norte argentino. Com base em uma metodologia de análise objetiva, na primeira parte são apresentadas as perspectivas que oferecem cada uma das fontes habituais de energia. As estimativas dos recursos energéticos costumam mudar de acordo com os interesses pessoais dos autores. Portanto, não foram considerados os dados mais pessimistas, mas sim as opiniões de especialistas e profissionais de cada setor energético separadamente. De modo complementar, são analisadas as tendências das energias renováveis na atualidade e os interesses econômicos que representam. 97

Em seguida, na segunda parte, é analisada a importância assumida pelos SFA na ERD e os respectivos motivos de êxito. Em muitas províncias da Argentina, esses sistemas de geração solar representam uma tecnologia nova e, consequentemente, seguir esses primeiros passos é algo fundamental. Para este estudo, são apresentados essencialmente dados disponíveis para as províncias do norte argentino. Considerou-se que a instalação de SFA pelo Premer foi realizada em diversas etapas ao longo dos últimos dez anos, com a evidência de que a experiência adquirida em cada província será diferente. Da mesma maneira, as configurações dos SFA que vão sendo instalados evoluem. Em consequência, uma análise das dificuldades encontradas nesses sistemas deve ser relacionada tanto com as condições de operação como também com as particularidades técnicas de cada SFA. Essa é a metodologia que foi elaborada para concluir-se sobre os principais fatores que afetam o funcionamento dos SFA nessa região, com base em um resumo das informações disponíveis nos ministérios provinciais e no Permer, e das experiências adquiridas pelas diversas equipes de manutenção.

DESENVOLVIMENTO Problemáticas energéticas atuais e energias renováveis Na matriz energética mundial, aparece em primeira posição o petróleo (36%), seguido pelo carvão (28%), o gás natural (23%) e, finalmente, as energias renováveis (7%) e a energia nuclear (6%) (BP STATISTICAL REVIEW OF WORLD, 2007). Em março de 2010, foi realizado o International Energy Forum em Cancún, no México, cujos países-membros são os responsáveis por 90% do consumo e produção de petróleo e gás em âmbito mundial. As principais preocupações do fórum estavam relacionadas com o esgotamento das reservas de petróleo, e as conclusões de um dos documentos de trabalho foram que, “utilizando estimativas conservadoras na demanda futura, o PCF Energy estima que o fornecimento de líquidos chegue a seu apogeu no período 2020-2025”. As energias fósseis são a base de dois terços da produção elétrica mundial (OBSERV’ER, 2008), e os produtos de petróleo são predominantes ao nível do consumo final (43% em 2004). Consequentemente, como afirma Mosquera (2008), “se o petróleo está em xeque, a energia toda está em xeque”. O apogeu do petróleo preocupa em todos os níveis, principalmente políticos e econômicos, mas o que está mais em jogo é provavelmente a dependência energética de todo um sistema que se opõe à mudança.

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O carvão é outro combustível fóssil, por vezes apresentado como “o salvador da crise” devido ao baixo custo de exploração de suas importantes reservas naturais. No entanto, um artigo da revista Nature, publicado em novembro de 2010 e intitulado “The End of Cheap Coal” (HEINBERG; FRIDLEY, 2010), critica uma política energética mundial paralisada pela falsa ideia de que o carvão deveria permanecer barato durante as próximas décadas. O Grupo Intergovernamental de Especialistas em Mudança Climática (em inglês, IPCC) é o responsável por outra publicação importante na qual se prevê que o pico global de produção de carvão das atuais jazidas ocorrerá por volta de 2011. Os autores especificam que “o atual foco de atenção na captura e sequestro geológico de carbono poderia estar equivocado” e que “a comunidade global deveria dedicar sua atenção à economia e ao aumento da eficiência da geração elétrica com carvão” (PATZEK; CROFT, 2010). De todos os combustíveis fósseis, o gás natural é o menos contaminante, considerando-se a liberação de dióxido de carbono, o principal dos gases de efeito estufa responsáveis pelo aquecimento global. Além disso, ele tem múltiplos usos, tanto residenciais como industriais. Pode ser aplicado na geração de energia elétrica e na substituição da gasolina nos automóveis. Seu custo por unidade calórica sempre foi mais vantajoso que o do petróleo. No entanto, com tantos benefícios, o gás natural ocupa apenas um quarto da matriz energética mundial. As três razões principais são: a dificuldade de transportá-lo e armazená-lo; a demanda de importantes obras de infraestrutura para sua utilização na rede doméstica; e a limitação logística no uso como substituto da gasolina no setor automotivo (MOSQUERA, 2008). Embora as tecnologias ligadas ao transporte de gás estejam melhorando e o “liquefied natural gas” esteja na moda, é difícil manter um aumento significativo da produção de gás natural em nível mundial. Diante do excesso mundial de geração de dióxido de carbono (CO2), o uso de fontes de energias fósseis assume a culpa. Os países que se caracterizam por poucas emissões de CO2 (menos de 100 g de CO2/kWh, que corresponde a 20% da média mundial) geram cerca de 80% ou mais de sua energia elétrica a partir da hidrogeração (Brasil e Noruega), nuclear (França) ou de uma combinação das duas (Suíça e Suécia). No outro extremo, países com altos níveis de emissões de dióxido de carbono (mais de 800 g de CO2/kWh) não têm centrais nucleares (Austrália) ou têm poucas (China e Índia) (INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, 2009). A geração de energia elétrica por centrais nucleares apresenta várias vantagens: permite estimativas no longo prazo com custos de geração estáveis; garante certa segurança energética; e não participa de maneira direta na mudança climática. No entanto, durante os últimos 15 anos, a produção energé99

tica mundial de origem nuclear evoluiu lentamente e por fases. Em 2008, a crise econômica afetou projetos de futuras instalações nucleares, e em março de 2011 o acidente nuclear de Fukushima (Japão) provocou um freio ainda mais importante para a atividade nuclear em muitos países. A Alemanha, por exemplo, decidiu em apenas quatro meses passar de um plano para ampliar a duração de duas centrais nucleares ao plano de fechamento de todas elas. Os problemas técnicos e ambientais ligados à atividade nuclear são complexos e, no final das contas, sua competitividade econômica depende, para cada instalação nova, das condições locais: alternativas disponíveis, estruturas de mercado e políticas de governo. A Agência Internacional de Energia Atômica (em inglês, IAEA) já havia previsto, antes do acidente japonês, que a energia nuclear não seria a “bala de prata” que salvaria os homens de tantos desafios energéticos (ROGNER; MC DONALD; IAEA, 2010). Se as energias renováveis representam 7% da matriz energética mundial, 18,7% da produção de energia elétrica são gerados a partir de fontes de origem renovável (Figura 1). A energia hidráulica predomina, com 86,6% (Figura 2), mas com um crescimento mínimo ante a atual dinâmica da energia solar e da eólica (Figura 3). Com um importante aumento do setor fotovoltaico, a energia solar, que tinha uma participação quase inexistente há dez anos, está ganhando espaço entre as principais fontes de energia do futuro. Alguns países contribuíram mais que outros na promoção do mercado fotovoltaico, sempre com crescimentos inesperados. Na Alemanha, por exemplo, a meta estabelecida para 2010 de 12,5% de energias renováveis na produção elétrica nacional foi alcançada em meados de 2007 graças ao programa “100.000 Tetos Solares”, lançado pelo governo em 1999, e graças à entrada em vigor de uma lei sobre energias renováveis, a EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz). Essa lei obteve êxito suficiente para servir de modelo para mais de 40 países em todo o mundo. 0,3% 1,1% 1,1% 0,2% 0,06% 16,1% 13,5% 67,6% Figura 1 - Estrutura da produção mundial de energia elétrica. Fonte: Observ’ER (2008).

100

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1,7% 5,7% 5,9% 0,3% 86,3% 0,01% Figura 2 - Estrutura da produção mundial de energia elétrica de origem renovável. Fonte: Observ’ER (2008).

Geotérmica 3,0% Eólica 29,4% Biomassa 6,6% Solar 29,6% Hidráulica 2,2% Energia marítima

-1,3%

Nuclear 1,1% Fósseis 4,2% Resíduos não renováveis

2,8%

Figura 3 - Taxa anual de crescimento de cada fonte de energia, de 1998 a 2008. Fonte: Observ’ER (2008).

De 2004 a 2007, o investimento mundial no âmbito das energias renováveis passou de 33 para 148 bilhões de dólares (PROGRAMA DAS NAÇÕES UNIDAS PARA O MEIO AMBIENTE, 2008). Os principais grupos energéticos e financeiros mundiais estão atraídos por uma interessante taxa de rentabilidade e buscam aumentar progressivamente sua participação no setor, de tal maneira que multinacionais como Alstom, Areva, General Electric, Suez, Total e ENI investiram em energias renováveis. No entanto, existem outros processos de investimento possíveis para o setor de energias renováveis, como o Fundo Mundial para o Meio Ambiente (em inglês, GEF) e o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (em inglês, CDM), definidos por meio do Protocolo de Kyoto, que incentivam as empresas dos países industrializados a investir em atividades que reduzam as emissões de gases do efeito estufa nos países em vias de desenvolvimento. Efetivamente, o uso de energias renováveis apresenta a grande vantagem de não gerar CO2. Assim, por exemplo, estima-se que, graças à EEG na Alemanha, deixaram de ser emitidas 45 milhões de toneladas de gás carbônico somente em 2006 (ATLAS DE LE MONDE DIPLOMATIQUE III, 2009). O Protocolo de Kyoto abriu um novo mercado para quem quer especular no mercado do carbono. O Marrocos é um exemplo interessante, visto que o país quer posicionar-se como líder do continen101

te africano nesse mercado, oferecendo uma meta de mais de 15 MtC/ano para 2020. No entanto, o país conseguiu vender apenas 280.000 toneladas em 2009 devido à complexidade do CDM. Na verdade, com relação aos sistemas fotovoltaicos instalados em contextos de eletrificação rural (mais de 50.000 SFA em 2010 em todo o país), não foi possível medir e justificar as emissões evitadas. Por fim, a atual crise energética é global e mundial, e deve agravar-se de forma preocupante nos próximos anos. À medida que os recursos fósseis forem desaparecendo, a chegada das energias renováveis torna-se inevitável, a ponto de serem as energias do futuro. Aos argumentos detalhados nos parágrafos anteriores é possível adicionar o incremento das populações nos países do Sul, associado à globalização de um modo de vida moderno, consumidor de grande quantidade de energia. Esse contexto deveria levar o homem a repensar sua relação com o planeta e, principalmente, com os recursos energéticos que este oferece.

Uso de sistemas fotovoltaicos autônomos para a eletrificação rural No último relatório anual do Conselho Mundial de Energia, o Dr. C. Frei (Secretário Geral) relaciona o cumprimento dos Objetivos de Desenvolvimento do Milênio1 com um indispensável acesso aos serviços energéticos modernos para o um bilhão e meio de pessoas que ainda não se beneficiam deles (WORLD ENERGY COUNCIL, 2011). Também é um dos objetivos principais apresentados pelas Nações Unidas, que chegaram a designar o ano de 2012 como o “Ano Internacional da Energia Sustentável para Todos”. Os indicadores de desenvolvimento habitualmente utilizados por essas instituições internacionais para classificar os países dependem das respectivas taxas de eletrificação. Finalmente, há consenso de que o acesso à energia elétrica produz uma melhoria nas condições de vida: acesso à saúde, higiene, educação, informação (audiovisual) e telecomunicação, mas também atividades econômicas (agricultura, artesanato, comércio, etc.) (GOUVELLO; MAIGNE, 2000). Essas necessidades, tanto individuais como coletivas, podem ser satisfeitas de uma maneira geral por meio de pequenos sistemas de geração elétrica. São características que correspondem aos setores rurais dos países do Sul, e a energia solar oferece soluções cada vez mais competitivas por meio da geração fotovoltaica. 1 “A adoção dos Objetivos de Desenvolvimento do Milênio (ODM) em 2000 representou um marco para a comunidade internacional, pois estes constituem um dos poucos compromissos globais em matéria de desenvolvimento apoiados em âmbito mundial. Os ODM estabelecem pontos de referência e objetivos específicos e mensuráveis para erradicar a pobreza extrema e promover a paz e a segurança. Embora esses objetivos tenham sido estabelecidos para implementação em 2015, está claro que os esforços para alcançar seu cumprimento estão sendo insuficientes.” Extraído do site “Center for Economic and Social Rights” (http://cesr.org/). 102

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Em muitos países do Sul, as reformas dos setores energéticos consistiram em modificar suas estruturas, separando as atividades de geração das de transmissão e de distribuição, geralmente sem obter uma melhoria nas taxas de eletrificação (PEREIRA, 2010). Na Argentina, a extensão da rede elétrica parece ter chegado ao apogeu em 2004, com 9 famílias de cada 10 recebendo um serviço de energia elétrica (Tabela 1). Isso se deve ao fato de que a conexão a uma rede de distribuição centralizada é pouco rentável quanto mais isolado encontrar-se o usuário. Para melhorar as taxas de eletrificação do país, foi promovido progressivamente, a partir de 1999, o uso das energias renováveis por meio do Permer, que é definido como um projeto de alto conteúdo social: seus objetivos são “atender ao melhoramento da qualidade de vida das comunidades rurais dispersas, contribuindo para o alívio da pobreza nas mesmas” (SECRETARÍA DE ENERGÍA DE LA NACIÓN, 2009). O Permer é financiado pelo governo federal, sendo 70% alocados pela Secretaria de Energia através de um empréstimo do Banco Mundial. Em 2009, esse programa tinha em atividade mais de 6.000 instalações fotovoltaicas do tipo SFA (Tabela 2). No mesmo ano, segundo dados fornecidos pelas Nações Unidas, cerca de 70.000 famílias argentinas não contavam com acesso à energia elétrica. Tabela 1 - Evolução da eletrificação rural convencional na Argentina. Frequência relativa de famílias que recebem um serviço de energia elétrica. 1990

1998

2000

2004

2005

2006

78%

84%

85%

90%

Fonte: Scarabée (2008)

Tabela 2 - SFA instalados pelo Permer nas diversas províncias argentinas. Província

Escolas con SFA

Catamarca

Serviços públicos

SFA residenciais

Minirredes FV 2

Córdoba

Corrientes

Chaco

208

1680

Jujuy

1900

La Rioja

Misiones

Neuquén

Río Negro

Salta

178

314

San Juan

530 14

103

Província

Escolas con SFA

Serviços públicos

SFA residenciais

Santiago del Estero

502

Tucumán

250

Total

1369

455

4360

Minirredes FV

Fonte: Permer (2009).

Para o abastecimento de energia elétrica em estabelecimentos escolares ou moradias não conectadas à rede convencional, existem várias soluções técnicas, como o bem conhecido grupo eletrógeno, com um custo inicial razoável, mas com inconvenientes de manutenção e reabastecimento de combustível em zonas remotas. Na província de Corrientes, certas escolas já dispunham de grupos eletrógenos antes da instalação dos sistemas fotovoltaicos, e outras pediram a instalação de um grupo eletrógeno depois, demonstrando a complementaridade dos dois tipos de sistemas. Por um lado, o uso de um grupo eletrógeno costuma ficar restrito a poucas horas por semana, somente quando há necessidade de alimentar uma bomba de água elétrica ou por ocasião de eventos importantes. Isso se deve ao sobredimensionamento da maioria dos grupos eletrógenos para o uso de algumas luminárias, rádio e televisor, os quais consomem pouco, mesmo em uso durante várias horas diárias. Para tal uso, um SFA proporciona uma melhor qualidade de serviço, evitando gastos excessivos de combustível. Por outro lado, o pedido de grupos eletrógenos de “emergência” em escolas que já dispunham de um SFA demonstra que a solução fotovoltaica não é 100% confiável. Nesse contexto, o termo “confiabilidade” aplicado a um SFA ganha um sentido particular. Não se trata da segurança da instalação, como no exemplo de uma central nuclear, mas sim de uma relação direta com a disponibilidade do sistema de geração solar. Até agora, os estudos de confiabilidade dos SFA concentraram-se fundamentalmente nos trabalhos de dimensionamento, sem considerar a evolução dos sistemas em operação real, a degradação e avarias de seus componentes, nem, portanto, sua influência sobre essa responsabilidade energética inicialmente estimada (VILLAR, 2003). Para apresentar uma situação atual dos SFA instalados na região norte da Argentina, o primeiro passo é analisar as características desses sistemas e se estão conformes com as necessidades locais. Basicamente, um SFA é um sistema de geração elétrica constituído por um painel ou conjunto de módulos fotovoltaicos, um acumulador ou banco de baterias, um regulador de carga e, às vezes, um conversor CC/CA. A configuração e projeto dos SFA variam para adaptar-se da melhor forma possível às necessidades do usuário. Quando o uso limita-se à iluminação, são escolhidos sistemas apenas de corrente contínua

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(CC) por uma questão de simplicidade, e opta-se por uma conversão à corrente alternada (CA) quando a maioria dos artefatos utilizados assim o requer. Por exemplo, os SFA domésticos instalados pelo Permer de potência fotovoltaica inferior a 200 Wp não dispõem de conversores. No entanto, são encontradas variantes na configuração dos SFA instalados em escolas rurais. Na província de Corrientes, a instalação elétrica desses estabelecimentos é alimentada totalmente com 220 V de corrente alternada, inclusive as luminárias. Na província de Chaco, as escolas com SFA têm uma instalação elétrica dupla, com as luminárias alimentadas com 12 V de corrente contínua e o restante das tomadas com 220 V de corrente alternada. Por um lado, a opção de usar corrente alternada em tudo, escolhida em Corrientes, permite aliviar os gastos em fiação, por pressupor uma instalação elétrica dupla, mas com o uso de conversores de maior potência. Por outro lado, a falha de um conversor em uma escola do Chaco não prejudica o uso das luminárias, enquanto as escolas de Corrientes dependem totalmente do bom funcionamento dos conversores, e isso provoca um aumento notável de reclamações nessa província (BELLO, 2010). A filosofia do projeto de um sistema fotovoltaico autônomo, inclusive o dimensionamento, é bastante diferente da de um sistema fotovoltaico conectado à rede, já que em um SFA o acúmulo de energia por meio de baterias é tão importante quanto a geração fotovoltaica. Efetivamente, os elementos desse tipo de instalação devem guardar entre si proporções justas e equilibradas para obter-se um fornecimento de energia elétrica que corresponda ao consumo. Para um dimensionamento adequado, existem métodos de cálculo baseados em estimativas de consumo diário e dados meteorológicos disponíveis. Na província de Corrientes, o dimensionamento dos SFA instalados nas escolas rurais foi definido pelo Ministério de Educação da Argentina, o qual considerou a quantidade de ambientes, a superfície e uso de cada um deles e a necessidade de lúmens por metro quadrado para cada ambiente particular (sala de aula, cozinha, sala de estar, etc.), para estimar uma quantidade de luminárias e de ventiladores de teto, um consumo para a moradia dos professores e outro por equipamento audiovisual. Assim, foi obtido um consumo previsto diário por escola. Em seguida, foram considerados 22 dias de aula por mês, uma eficiência global do sistema de 85% (sem os módulos fotovoltaicos), 3,6 horas de sol a pino (1.000 W/m2) sobre o plano inclinado dos módulos fotovoltaicos durante o mês mais crítico do ano e 3 dias de autonomia, com uma profundidade de descarga de baterias de 70%. Como resultados, foram determinadas as capacidades de geração e de acumulação particulares de cada escola (Figura 4).

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Figura 4 - Distribuição das potências instaladas nos SFA de Corrientes.

Desde a colocação em funcionamento dos 85 SFA instalados pelo Permer em Corrientes no ano de 2008, o Grupo de Energias Renováveis (GER) da Universidad Nacional del Nordeste realiza um acompanhamento técnico desses sistemas, participando também de sua manutenção. Com o objetivo de estudar com mais detalhes o comportamento de um SFA em condições reais de uso, o GER instalou em outubro de 2010 um sistema de aquisição de dados (SAD) para o sistema de geração solar de uma das escolas de Corrientes (BELLO, 2010). Os dados obtidos durante sete meses de monitoração permitiram definir um padrão de consumo energético típico para a escola, analisando separadamente a demanda de energia elétrica em cada setor do estabelecimento e associando-a a distintos tipos de atividades (BELLO, 2011). Durante o dia, o consumo do estabelecimento corresponde a cerca de 100 Wh para a área escolar, mais cerca de 150 Wh para a área residencial.2 Durante a noite, são 400 Wh para a galeria e 150 Wh para a área residencial (Figura 5). O banco de bateria está dimensionado para fornecer cerca de 3.000 Wh/dia durante três dias. Portanto, o consumo noturno observado no estabelecimento não é excessivo e corresponde a um uso moderado dos recursos do SFA. Em época de baixa radiação solar, os 800 Wp do banco fotovoltaico instalado não produzem mais de 2.880 Wh, com uma demanda diária de 800 Wh. Deve ser considerada a eficiência de cada elemento do SFA para saber a energia exata fornecida pelo sistema ao usuário, mas ainda assim a potência geral de produção supera amplamente o consumo observado. Consequentemente, o SFA estudado está superdimensionado. Com relação ao valor de insolação considerado no dimensionamento original (3,6 h de sol a pino por dia), pode-se comparar com a radiação solar medida sobre o plano dos módulos fotovoltaicos durante o mês de junho, por ser a mais baixa registrada, com uma média de 3,7 h de sol a 2 Grande parte das escolas rurais dispõe de uma residência para o professor ou algum zelador. 106

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pino por dia. A partir do mês de março, exatamente quando esse SFA completa 3 anos de atividade, aparecem cortes energéticos diante de situações de consumo moderado, o que caracteriza uma perda de capacidade importante do banco de baterias. Dentro das possíveis explicações, podem ser mencionadas as descargas excessivas dos acumuladores, devido ao funcionamento dos conversores utilizados nessa escola. Além disso, as temperaturas registradas no ambiente das baterias frequentemente ultrapassam 40 ºC, causa provável da evaporação excessiva dos eletrólitos, observada durante a manutenção. Finalmente, esse caso particular pode ser generalizado a uma grande parte das escolas de Corrientes, que têm a confiabilidade de seus SFA afetada por uma limitação da vida útil das baterias. Os fatores que podem prejudicar o bom funcionamento de um SFA em zonas rurais isoladas são múltiplos. No contexto da eletrificação rural, encontram-se facilmente estudos sobre o impacto que a implementação de certas tecnologias pode gerar nos âmbitos econômicos, sociais e ambientais das comunidades afetadas. De maneira inversa, fatores sociais ou ambientais podem afetar o funcionamento de sistemas tecnológicos e, no caso particular dos SFA, observa-se tanto uma relação direta com os usuários quanto localizações em zonas geográficas inóspitas. São fatores que não costumam ter tanta importância no funcionamento de outros sistemas de geração elétrica, mas que não podem ser omitidos no caso dos SFA. Além disso, são fatores que podem variar de uma região para outra, de uma classe de usuário para outra, etc. Somente um trabalho de campo, em colaboração direta com a equipe docente das escolas que dispõem de um SFA, pode dar conta da situação de cada região. Finalmente, sem uma organização adequada da manutenção dos SFA em atividade, não será possível avaliar os fatores a considerar para futuras instalações.

Figura 5 - Médias mensais de dados registrados durante um total de 7 períodos.

107

Em Corrientes, o GER encarregou-se das principais intervenções de manutenção dos SFA sem que tenha sido possível manter um ritmo contínuo de visitas por diversas questões relacionadas, principalmente pela falta de recursos econômicos destinados a tais atividades. A partir de março de 2010, foi implementado um cronograma de visitas com operações sistemáticas de manutenção e o compromisso de controlar cada sistema pelo menos duas vezes por ano. Na Tabela 3, estão expostos os problemas mais frequentes encontrados durante as visitas realizadas em 2010. A falta de líquido ou eletrólito nas baterias (74% das escolas) não tem repercussão no curto prazo sobre o bom funcionamento dos SFA, mas é muito importante com relação às perdas precoces da capacidade nos acumuladores, como mencionado anteriormente. Em segundo lugar, aparecem falhas graves nos conversores, sendo o fator predominante a presença de rãs dentro dos aparelhos (Figura 6). Desde a colocação em operação dos SFA, poucos reguladores de carga apresentaram falhas, e em um dos casos um superaquecimento produziu o derretimento da carcaça de um regulador sem a ativação dos elementos de proteção (Figura 7). Com relação aos módulos fotovoltaicos, observou-se uma descoloração após dois anos de operação, com um padrão característico em alguns módulos. Essa descoloração é produzida ao longo da área central das células, como se pode ver na Figura 7. De modo geral, para a província de Corrientes, a seleção dos diversos elementos no projeto dos SFA não foi a melhor solução técnica, seja por falta de adaptação às condições reais de operação da área, seja por simples questões de qualidade (BELLO, 2010).

Tabela 3 - Problemas mais frequentes encontrados nos SFA de Corrientes durante os 6 primeiros meses de 2010 (certas escolas receberam 2 visitas).

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Total de referência

Casos de eletrólitos “secos”

Inversores fora de serviço

Reguladores de carga fora de serviço

Escolas sem energia

Roubos parciais ou totais

Quantidade

50 visitas

64%

16%

20%

43 escolas

74%

19%

23%

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Figura 6 - Presença de rãs dentro de um conversor queimado.

Figura 7 - Deterioração visível de módulos fotovoltaicos e regulador de carga queimado.

Comparando com Corrientes, foram compiladas informações sobre manutenção e estragos em SFA instalados em outras províncias do norte argentino. No caso de Chaco, Salta, Jujuy e Tucumán, os sistemas instalados são domésticos e destinados a escolas (Tabela 2). Cada província apresenta também diferenças no que diz respeito ao clima. Em Chaco, a grande maioria das instalações encontra-se no “Impenetrable Chaqueño”, uma região na qual as temperaturas anuais registradas são quase as mais altas do país. Esse motivo provocou a necessidade de substituir uma grande parte dos reguladores de carga nos SFA domésticos. A gestão da manutenção é feita por meio da Subsecretaria de Energia e Programas Especiais da Província de Chaco, a qual contrata a Cooperativa de Serviços Públicos do Norte de Chaco, de J. J. Castelli, para a manutenção das instalações, com uma preocupação atual centrada na troca de baterias por envelhecimento precoce imprevisto. O primeiro SFA de Chaco foi instalado em 2005, com cerca de 650 reclamações registradas para 2009 (34% dos sistemas). Salta e Jujuy são outras províncias de importância para esse tipo de comparações, por ser umas das primeiras onde começou a trabalhar o Permer. Além disso, observam-se contribuições significativas 109

por parte das entidades provinciais na região, com 290 SFA domésticos instalados em Salta sem o Permer e mais de 1.000 em Jujuy. Em Salta, a concessionária é a Empresa de Servicios Eléctricos Dispersos S.A. (Esed). Segundo os dados fornecidos por essa empresa, durante os últimos anos foi registrada uma média estimada de 100 reclamações por ano, representando 15% dos sistemas. Em Jujuy, os dados obtidos pela Empresa Jujeña de Sistemas Energéticos Dispersos S.A. (EJSEDSA) exibem um estado atual de 4.341 SFA (mais que o dobro do informado pelo Permer em 2009), com um total de 449 KWp. Nas províncias de Misiones e Tucumán, os governos provinciais não assumiram da mesma forma a organização da manutenção necessária para manter em operação os SFA instalados pelo Permer. Na província de Misiones, 42 salões comunitários para as comunidades aborígenes guaranis e 24 escolas rurais receberam sistemas fotovoltaicos, sem que seja possível obter informações concretas sobre o estado atual, tanto pela distribuidora de eletricidade como por intermédio da equipe encarregada das infraestruturas escolares. Em Tucumán, a encarregada da manutenção dos 250 SFA domésticos instalados em 2001 é a Empresa de Distribución Eléctrica de Tucumán S.A. (Edet). No entanto, podem ser levantadas dúvidas sobre a qualidade da manutenção realizada com base em uma advertência apresentada há dois anos pela Unidade Executora Provincial (UEP). Portanto, Formosa é a única província do nordeste argentino que não recebeu a atenção do Permer, nem mesmo nas últimas licitações com previsão de instalação de mais de 15.000 novos SFA domésticos em todo o país. Com relação às províncias do norte argentino acima mencionadas, corresponderiam 1.000 SFA de 120 Wp a Corrientes, 700 SFA de 100 Wp a Chaco, 4.856 SFA de 150 Wp a Salta e 1.682 SFA de 100 Wp a Tucumán.

CONCLUSÃO A primeira análise com relação à situação particular de cada uma das fontes tradicionais de energia demonstra que as energias renováveis vão ganhar cada vez mais importância na matriz energética mundial. Essa tendência é notável mediante as transformações financeiras das grandes empresas do setor energético, mas também pelo uso quase sistemático de sistemas fotovoltaicos autônomos para a eletrificação rural descentralizada nos países do Sul. Da mesma forma que nos países vizinhos, o uso de SFA na Argentina é relativamente recente. Portanto, é primordial relatar as primeiras experiências no setor, prevendo-se uma generalização desse tipo de sistemas. Nas zonas rurais isoladas do nordeste argentino, os SFA geralmente são as únicas fontes de ener110

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gia nas moradias ou escolas nas quais estão instalados, e se não alcançarem um nível de confiabilidade aceitável podem perder a credibilidade nas comunidades rurais afetadas, prejudicando futuros programas de eletrificação rural. Um estudo do padrão de consumo em uma escola da província de Corrientes dá o exemplo de um SFA amplamente dimensionado, mas com perdas prematuras de seu banco de baterias. Estatísticas da manutenção realizada na província confirmam que os acumuladores são, sem dúvida, o ponto fraco dos SFA e, para evitar falhas nos sistemas, a substituição das baterias deve ser programada com antecipação suficiente. Além disso, um modelo de conversor nas escolas de Corrientes foi afetado pela presença de rãs, enquanto em Chaco foram os reguladores de carga que não se adaptaram às temperaturas extremas da região. De certa forma, uma inadequação de vários elementos prejudicou o funcionamento e a confiabilidade dos SFA, gerando também gastos não previstos na manutenção. O aporte de fundos por meio do Banco Mundial implica de alguma maneira que o Permer entre em um sistema economicista.3 Isso explica que, no momento da tomada de decisões ante diferentes arquiteturas para os SFA, sejam priorizados os fatores econômicos sobre os de confiabilidade e sustentabilidade. Complementando, um inventário dos SFA instalados em cada província do norte argentino, associado às diversas formas de organizar a manutenção, permite concluir que as províncias não se encarregam de forma sistemática dos sistemas solares fornecidos pelo Permer. No entanto, a realização de uma manutenção mínima é o ponto fundamental da confiabilidade dos SFA. Faltaria incorporá-la a sua organização a partir do Permer, para permitir também um retorno necessário de informações da área às equipes que planejam as futuras instalações.

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PÓS-GRADUAÇÃO

>>> Transesterificação em álcoois supercríticos como alternativa para a produção de biodiesel Ignacio Vieitez Osorio

RESUMO Dispor de um método de transesterificação de óleos eficiente em presença de água seria de grande interesse, com o propósito de utilizar álcool retificado em lugar do metanol utilizado tradicionalmente para esse fim. Neste trabalho, foi estudado o efeito de diferentes parâmetros operativos sobre a eficiência da transesterificação em contínuo de etanol supercrítico, entre eles o conteúdo de água do álcool. Os resultados indicam que o processo de conversão em biodiesel dos óleos de soja, girassol, girassol alto oleico e rícino pode ser realizado com uma eficiência relativamente alta se forem escolhidos convenientemente os parâmetros operativos. No entanto, observou-se que o material lipídico submetido às condições extremas de temperatura e pressão exigidas sofreu um grau de deterioração significativo, causando a redução da porcentagem de ácidos graxos insaturados, fenômeno que aparece como o principal limitante do conteúdo de éster do produto. Neste trabalho, são apresentados os resultados mais representativos da tese de doutorado de Ignacio Vieitez (2010, Faculdade de Química, UDELAR). Palavras-chave: biodiesel, etanol supercrítico, transesterificação sem catalisador, ésteres etílicos, decomposição.

ABSTRACT The design of an efficient transesterification process for the production of biodiesel is of major interest in order to viable the utilization of rectified alcohol instead of methanol, conventionally used for this process. This work studied the effect of the different operative parameters on the efficiency of the continuous catalyst-free transesterification of vegetable oils under supercritical ethanol, including the effect of the addition of water to the alcohol. Results showed that using this methodology, the conversion of soybean oil, sunflower, high oleic sun115

flower oil and castor oil to biodiesel could be efficiently performed with a proper selection of the reaction conditions. However, the lipid material suffered different decomposition phenomena due to the high temperature and pressure needed to maximize the conversion levels using this method, producing a reduction in the percentage of unsaturated fatty acids, which limited the maximum ester content achievable. This work summarizes the main results obtained within the framework of the PhD thesis of Ignacio Vieitez (2010, Facultad de Química, UDELAR). Keywords: biodiesel, supercritical ethanol, transesterification without catalyst, ethyl esters, decomposition.

INTRODUÇÃO Desde o século passado, os combustíveis derivados do petróleo têm sido a principal fonte de energia mundial. No entanto, devido à possível escassez desse recurso no futuro e aos problemas de contaminação ambiental que ocasiona, a busca de fontes alternativas de energias renováveis tornou-se de vital importância (ANTOLIN et al., 2002). Atualmente, as principais fontes de energia utilizadas são o petróleo, o carvão, o gás natural, a hídrica, a eólica e a nuclear. As três primeiras mencionadas são denominadas combustíveis fósseis, em referência a sua origem. As estimativas sobre as reservas fósseis são, ainda hoje, difíceis de assegurar, mas é mais difícil prever a evolução de preços e o ritmo de consumo, que, por sua vez, dependerá dos preços. Portanto, o desenvolvimento de fontes de energia renováveis para a substituição dos combustíveis de origem fóssil aparece como uma interessante alternativa, motivo pelo qual a pesquisa relacionada com o aproveitamento desse tipo de recurso energético ganhou maior importância em âmbito mundial. Devido às características similares do biodiesel e do diesel tradicional, os motores de compressão-ignição convencionais necessitam de muito pouca ou nenhuma modificação para funcionar com esse tipo de combustível. O biodiesel pode ser usado puro ou misturado com o diesel de petróleo e não produz depósitos indesejáveis nos motores (DUNN, 1999; GOODRUM; GELLER; ADAMS, 2002). Apresenta também vantagens com respeito ao diesel tradicional na qualidade das emissões gasosas que produz (livres de SO2, Pb ou halogênios, e com uma redução substancial de CO e de hidrocarbonetos sem queimar) e pelo fato de ser biodegradável (MEHER; VIDYA SAGAR; NAIK, 2006).

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Para o enfoque do problema em um cenário local, é relevante o fato de que o Uruguai é um país tipicamente importador de petróleo, o que tem como resultado um custo muito elevado de seus derivados (entre eles o diesel) e uma situação de dependência energética muito inconveniente. Isso claramente favorece as condições para a introdução do biodiesel como uma alternativa ao diesel convencional. O biodiesel representa atualmente uma das possíveis fontes de energia alternativa com a qual o Uruguai conta para diversificar sua matriz energética. Além disso, aparece como uma alternativa atraente para um país como o Uruguai, que dispõe de áreas de prioridade agrícola potencialmente utilizáveis, capazes de produzir as matérias-primas necessárias para a produção desse biocombustível. Por esse motivo, o governo uruguaio tomou diferentes medidas para impulsionar o tema em nível legislativo. No artigo primeiro da Lei nº 17.567, de 20 de outubro de 2002, foi declarada de interesse nacional a produção em todo o território do país de combustíveis alternativos, renováveis e substitutivos dos derivados do petróleo, elaborados com matéria-prima nacional de origem animal ou vegetal. A este primeiro antecedente de caráter legislativo, seguiu-se a Lei sobre Agrocombustíveis, nº 18.195, aprovada pelo Parlamento em 2008 e regulamentada através de um Decreto ao final do mesmo ano. Nessa lei, encomenda-se à Administração Nacional de Combustíveis, Álcool e Portland (Ancap) a incorporação de até 2% do volume total da mistura entre biodiesel e o óleo diesel de uso automotivo que for comercializado internamente até 31 de dezembro de 2008. Essa proporção constitui um mínimo obrigatório desde 2009 até 31 de dezembro de 2011, sendo elevada a 5% a partir de 1º de janeiro de 2012. Também a Lei de Agrocombustíveis torna obrigatório o cumprimento da Norma UNIT 1100 (aprovada em dezembro de 2005 e modificada em 2009). A fabricação industrial de biodiesel é realizada por meio da transesterificação de gorduras e óleos com metanol. No entanto, o etanol é uma alternativa interessante, dado que pode ser um produto 100% renovável (bioetanol) e que garante maior segurança em sua manipulação: não é tóxico, diferentemente do metanol. Nos últimos anos, o governo do Uruguai reativou a indústria açucareira estatal a partir, fundamentalmente, da cana-de-açúcar e de sorgo-doce. Juntamente com ela, implementará a produção de álcool retificado e absoluto. As propriedades do biodiesel obtido com etanol são tão boas ou superiores às do derivado do metanol, motivo pelo qual, do ponto de vista da qualidade do combustível, não haveria nenhum impedimento para a substituição de um álcool pelo outro (GIL; JACHMANIÁN; GROMPONE, 2003). No entanto, o álcool absoluto tem a enorme desvantagem de que absorve umidade do ambiente, até alcançar sua concentração azeotrópica (ou seja, deixando de ser anidro). O emprego do etanol retificado (a 96%) tem a grande vantagem, com relação ao álcool anidro ou absoluto, de seu baixo preço e da faci117

lidade de sua manipulação. No entanto, até agora, toda a bibliografia encontrada utiliza etanol anidro ou absoluto, porque o emprego do álcool retificado tem como inconveniente o fato de que seu conteúdo de água (4%, aproximadamente) é suficiente para que a reação de obtenção do biodiesel seja incompleta. Como já foi mencionado, o biodiesel é obtido tradicionalmente por meio da transesterificação de um óleo vegetal com um álcool, geralmente o metanol, em presença de um catalisador químico básico. Esse método, embora resulte conveniente por sua alta eficiência e baixo custo, apresenta vários inconvenientes, como a necessidade de pré-tratamento dos materiais graxos muito ácidos, a impossibilidade de utilizar etanol retificado (pelo conteúdo de água presente), a baixa qualidade da glicerina produzida e a produção de elevados volumes de efluentes. Nas referências bibliográficas mais recentes, é estudada a condução do processo a elevadas pressões e temperaturas, mais precisamente em meio alcoólico supercrítico, onde o processo pode transcorrer sem necessidade do uso de nenhum tipo de catalisador (KUSDIANA; SAKA, 2001a, 2004; DEMIRBAS, 2002; MADRAS; KOLLURU; KUMAR, 2004; WARABI; KUSDIANA; SAKA, 2004). Uma primeira vantagem dessa tecnologia é a alta pureza dos produtos obtidos devido à não utilização de catalisador (SAVAGE et al., 1995; KUSDIANA; SAKA, 2001b). A metodologia supercrítica para a elaboração de biodiesel apresenta várias vantagens, entre as quais se destacam (HE; WANG; ZHU, 2007): não é utilizado nenhum tipo de catalizador; a homogeneidade de fase álcool/óleo diminui as dificuldades do transporte de massa e, em consequência, incrementa as velocidades de reação; e podem ser utilizadas matérias-primas de baixa qualidade, inclusive com elevados conteúdos de ácidos graxos livres e de água, já que não apresentam efeitos negativos na reação. Esta é uma diferença importante com relação a quando se utilizam catalisadores básicos, que são muito sensíveis à presença de água (que deve ser inferior a 0,06% m/m) e ao conteúdo de ácidos graxos livres (que deve ser inferior a 0,5% m/m). Os antecedentes bibliográficos demonstram a viabilidade da alcoólise supercrítica ante diferentes matérias-primas, tanto com metanol como com etanol anidro; além disso, demonstram que a metanólise supercrítica é altamente eficiente em presença de um elevado conteúdo de água. Dada a elevada semelhança entre as propriedades do metanol e do etanol, é de grande interesse explorar o efeito da adição de água ao processo supercrítico de etanólise. Avaliar o efeito da água sobre a conversão do óleo em biodiesel é, obviamente, de grande importância para determinar a viabilidade técnica do uso de álcool hidratado e de especial interesse para um eventual escalamento do processo, dado que, além de apresentar custo mais baixo que o etanol anidro, é de especial importância para o contexto regional. Este último fator torna particularmente atraente o estudo da eficiência desse 118

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tipo de processo ao utilizar etanol retificado em condições supercríticas, aspecto sobre o qual não foram encontrados antecedentes. Em conclusão, o objetivo do presente trabalho é o estudo da transesterificação em álcoois supercríticos de óleos e gorduras de origem nacional como método alternativo para a obtenção de biodiesel, voltado à busca de um método eficiente para substituir o metanol, utilizado tradicionalmente, por etanol retificado. Investigou-se o efeito da concentração de água e da temperatura de reação sobre o rendimento da transesterificação contínua de diferentes óleos (foram escolhidos os dois utilizados com mais frequência no Uruguai, o de soja (SBO) e o de girassol convencional (SFO), e outros óleos menos comuns, mas que apresentam características atraentes, como o de girassol alto oleico (HO-SFO) e o de rícino (CO)), em etanol em condições supercríticas. Foi estudado o efeito dos parâmetros operativos mais importantes (temperatura, fluxo) sobre o rendimento do processo e foi medido o grau de deterioração sofrido pelo material graxo exposto às condições de reação, avaliando-se o efeito sobre esses parâmetros da adição de água em diferentes níveis ao meio de reação.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Materiais empregados Foram utilizados os seguintes óleos refinados: óleo de soja (COAMO, Brasil), óleo de girassol e de girassol alto oleico (COUSA S.A., Montevidéu, Uruguai), os quais foram adquiridos em estabelecimentos comerciais de venda ao público. Também foi utilizado óleo de rícino (Delaware S.A., Brasil). Para as reações de transesterificação, foi utilizado etanol absoluto e metanol, ambos com 99,9% de pureza (fornecidos pela Merck). O restante dos solventes e padrões foi adquirido da Sigma-Aldrich.

Equipamento utilizado para a transesterificação em álcoois supercríticos O sistema utilizado para realizar as reações de transesterificação em meio supercrítico é composto de um reator tubular contínuo (de 42 ml) ao qual foi bombeada a mistura homogênea de óleo e álcool à pressão de trabalho, sem a adição de catalisador. O reator foi colocado em um forno termostatizado à temperatura de operação desejada. Esse equipamento é propriedade do Laboratório de Termodinâmica Aplicada da Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Departamento de Ciências Agrárias, URI-Campus de Erechim, Brasil (VIEITEZ et al., 2009a). 119

O procedimento para a transesterificação em álcoois supercríticos, o acondicionamento dos produtos para sua posterior análise, o conteúdo de éster e composição em ácidos graxos, o grau de decomposição, a análise por GC dos ésteres alquílicos, a identificação de todos os isômeros cis/trans e a análise por GC de mono-, di- e triglicerídeos são descritos detalhadamente em Vieitez et al. (2008, 2009a, 2009b).

Preparação dos ésteres etílicos do óleo de soja Os ésteres etílicos do óleo de soja foram obtidos por catálise química. Foram pesados 100 gramas de material graxo em um Erlenmeyer de 250 ml e adicionou-se a quantidade de álcool necessária para alcançar uma relação molar álcool/óleo igual a 6:1. Foi adicionado 1,0 g de catalisador (hidróxido de potássio). Colocou-se uma barra magnética, e a mistura foi mantida sob agitação durante 60 min em um banho de água termostatizado a 60 ºC. O conteúdo de éster do produto foi de 97,3%.

RESULTADOS E DISCUSSÃO 1 Etanólise em condições supercríticas Na Figura 1, é mostrado o conteúdo de éster dos produtos de transesterificação em contínuo do óleo de soja refinado em etanol supercrítico em função do fluxo, para diferentes conteúdos de água no meio de reação: 0% ou 5%. Observa-se com clareza que, quando não foi adicionada água ao sistema, o conteúdo máximo de éster correspondeu à maior temperatura de trabalho (350 ºC), e com um fluxo de 1,5 ml/min; por outro lado, quando se adicionaram 5% de água, esse máximo foi obtido a temperaturas inferiores: 300 e 325 ºC (com máximos conteúdos de éster de aproximadamente 70%), mas com diferentes fluxos. O efeito favorável sobre o conteúdo de éster da adição de água ao meio de reação foi relatado em trabalhos realizados sobre a síntese de ésteres metílicos a partir do óleo de colza (KUSDIANA; SAKA, 2004). Esses resultados estão de acordo com a hipótese de que a presença de água no meio de reação implica a existência de um mecanismo de reação paralelo ao da transesterificação direta, mais rápido que esta última, que envolve a hidrólise dos triglicerídeos seguida pela rápida esterificação dos ácidos graxos livres com o álcool (KUSDIANA; SAKA, 2004). Em geral, observa-se que, para a faixa de temperaturas de 250 a 325 ºC, o conteúdo de éster aumenta com a redução do fluxo, o que está de acordo com um 120

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aumento na porcentagem de conversão com o aumento do tempo de residência. Diferentemente do observado a temperaturas mais baixas, a 350 ºC o conteúdo máximo de éster não foi obtido com o menor fluxo de operação, mas sim, em todos os casos, os máximos corresponderam a valores de fluxo intermediários dentro da faixa de trabalho. A não coincidência do conteúdo máximo de éster com o fluxo mínimo de operação está relacionada com a ocorrência de fenômenos de decomposição dos ácidos graxos, favorecidos pelas drásticas condições do processo (VIEITEZ et al., 2009a, 2009b). O fluxo, portanto, exerce dois efeitos contrapostos sobre o conteúdo de éster: por um lado, fluxos baixos implicam elevados tempos de residência, o que favorece o aumento da conversão (e, portanto, do conteúdo de éster), mas, ao mesmo tempo, aumenta o tempo de exposição dos ácidos graxos às condições drásticas de reação, favorecendo a ocorrência de fenômenos de degradação. O valor máximo de conteúdo de éster foi de 77,5% para uma temperatura de reação de 350 ºC, com o reator alimentado a 1,5 ml/min de mistura álcool/óleo e sem a adição de água ao sistema.

Figura 1 - Conteúdo de éster do produto de transesterificação em contínuo do óleo de soja refinado em etanol supercrítico em função do fluxo, para diferentes conteúdos de água no meio de reação (a) 0% de H2O e (b) 5% de H2O.

Quando foi analisada a composição dos ésteres etílicos dos ácidos graxos dos produtos obtidos e comparada com os correspondentes do óleo de soja original, constataram-se várias diferenças importantes. As diferenças mais notórias vinculam-se ao desaparecimento no produto do pico correspondente ao ácido graxo 18:3 e o surgimento de picos correspondentes a isômeros trans dos ácidos graxos 18:1 e 18:2. Inclusive, verifica-se que, se é determinado o conteúdo de 18:2 total (soma de todos os seus isômeros) no produto final, este é inferior ao correspondente no óleo de partida, e por isso também se verifica seu desaparecimento parcial 121

(VIEITEZ et al., 2009a). O surgimento dos isômeros trans, embora seu conteúdo possa não afetar o rendimento do combustível obtido, poderia afetar negativamente as propriedades de fluxo a frio do biodiesel (IMAHARA et al., 2008). Resultou evidente que as diferenças de composição entre o produto e o óleo são mais importantes ao incrementar-se a temperatura de reação e que essas diferenças implicam um produto enriquecido em isômeros trans e empobrecido em ácidos graxos insaturados. Existe um maior efeito das condições de reação quanto maior for o grau de insaturação do ácido graxo, o que é esperado devido à vulnerabilidade associada ao número de insaturações da cadeia hidrocarbonada. Alguns pesquisadores atribuíram a queda no grau de insaturação dos produtos com relação ao do óleo a certo grau de “seletividade” do processo (RATHORE; MADRAS, 2007; VARMA; MADRAS, 2007), o que implicaria a conversão dos ácidos graxos saturados a maior velocidade que os insaturados. As conclusões desses trabalhos não incluem estudos específicos de velocidade; simplesmente se baseiam na análise da composição dos ésteres produzidos, motivo pelo qual, neste trabalho, não se considera válida essa hipótese. Por outro lado, considera-se que o processo, que está catalisado quimicamente, mas sem a adição de um catalisador exógeno, não apresenta nenhuma seletividade com respeito ao tipo de ácido graxo: o empobrecimento dos produtos nos ácidos graxos mais insaturados deve-se, exclusivamente, a sua decomposição preferencial, devido à maior vulnerabilidade associada ao maior número de insaturações da cadeia hidrocarbonada. Esse enfoque é coerente com o surgimento de isômeros trans nos produtos, o que não pode ser justificado por nenhum tipo de seletividade, já que o óleo de partida não continha ácidos graxos trans, mas sim confirma que as condições de processamento que envolvem um estado energético elevado das moléculas dos ácidos graxos são favoráveis para a ocorrência de outro tipo de processos. A Figura 2 mostra o conteúdo de éster, mono-, di- e triglicerídeos (MAG, DAG e TAG respectivamente) e porcentagem de decomposição nos produtos obtidos em diferentes condições de reação. Observa-se que, nas condições em que a transesterificação viu-se favorecida (desaparecimento de glicerídeos), foram favorecidos também os processos de decomposição. Nos casos em que não se adicionou água ao meio de reação, observa-se uma maior proporção de glicerídeos parciais, a qual se reduziu à medida que foi diminuído o fluxo e aumentada a temperatura. No caso do processo a 300 ºC, essa diminuição produziu um aumento importante no conteúdo de éster, enquanto a 350 ºC observa-se que o conteúdo de éster diminuiu por efeito do aumento da decomposição; no entanto, ao fluxo de 1,5 ml/min, foi obtida a maior conversão em ésteres etílicos (77,5%). Por outro lado, nos casos em que foi utilizado etanol com 10% de água, os glicerídeos foram convertidos de modo mais eficiente, mas o incremento da temperatura aumentou a porcentagem de decomposição, e em todos os casos o con122

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teúdo máximo de éster foi obtido a 1,0 ml/min. Os melhores resultados da etanólise quanto à maximização do conteúdo de éster e minimização do conteúdo de TAG, DAG, MAG e produtos de decomposição foram 350 ºC, ausência de água e fluxo de 1,5 ml/min. Nessas condições, a soma da porcentagem de éster, MAG, DAG, TAG e de decomposição alcançou 100%; em presença de água, 300 ºC e fluxos de 0,8 ou 1,0 ml/min; e ao incrementar a temperatura os efeitos da decomposição começam a ser mais notórios e são a causa pela qual diminui o conteúdo de éster; enquanto a 300 ºC a presença de MAG fundamentalmente, junto com DAG e TAG, determina que o avanço da reação de transesterificação não é completo.

Figura 2 - Conteúdo de éster, MAG, DAG, TAG e porcentagem de decomposição nos produtos obtidos por transesterificação de óleo de soja refinado em etanol supercrítico: (a) 300 ºC, (b) 300 ºC com 0% e 10% de água em cada caso, (c) 350 ºC, e (d) 350 ºC com 0% e 10% de água em cada caso.

123

A adição de água ao reator contínuo afetou favoravelmente o conteúdo de éster do produto. Esse efeito favorável pode ser atribuído à combinação dos seguintes efeitos: o aumento da velocidade de reação, que transcorre por meio mecanismo mais rápido (hidrólise + esterificação); e a diminuição na porcentagem de decomposição dos ácidos graxos. Isso constitui uma diferença substancial com relação à catálise química convencional, na qual a presença de água afeta de modo negativo o desenvolvimento do processo, enquanto com este método sua presença, inclusive, a favorece (VIEITEZ et al., 2010).

2 Efeito da composição do material graxo Na Tabela 1, são apresentados os conteúdos máximos de éster obtidos através da transesterificação em SC-EtOHa a 300 e 350 ºC de óleos de diferentes origens. Torna-se evidente o efeito favorável da temperatura sobre a conversão dos óleos, já que a 350 ºC foram obtidos conteúdos de éster de 7% a 11% superiores aos obtidos a 300 ºC (exceto para o óleo de rícino). O óleo de rícino aparece como um caso particular, no qual o incremento da temperatura de 300 a 350 ºC repercutiu negativamente, reduzindo em 20% o conteúdo de éster. A 300 ºC, temperatura em que os processos de decomposição ocorrem a menor velocidade em todos os casos, a diminuição do fluxo incrementou o conteúdo de éster do produto, correspondendo os máximos sempre a 0,8 ml/min (o menor fluxo estudado). Por outro lado, a esta temperatura de trabalho observou-se um importante efeito da presença de água no sistema: os valores mais altos de conversão foram obtidos com um conteúdo de água de 5%. Isso duplicou o conteúdo de éster para SBO e HO-SFO com relação à reação sem a adição de água. Para o fluxo de 0,8 ml/min, no qual foi atingida a conversão máxima, o conteúdo de éster para SBO superou em aproximadamente 4% o obtido com SFO e com HO-SFO, diferentemente do que ocorreu a 350 ºC, quando não foram observadas diferenças importantes. No caso do HO-SFO, o maior conteúdo de éster foi obtido a 350 ºC e com 10% de água, diferentemente dos outros óleos, cujo máximo foi obtido em ausência de água. Tabela 1 - Conteúdos máximos de éster obtidos com cada tipo de óleo a 300 ºC e a 350 ºC, e as outras condições de reação correspondentes.

124

Óleo

Conteúdo máximo de éster (%)

SBO

70,0

SFO

66,1

HO-SFO

66,3

74,2

T (°C)

300

Fluxo (ml/min)

Conteúdo de água (%)

0,8

1,5

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Óleo

Conteúdo máximo de éster (%)

SBO

77,5

SFO

78,6

HO-SFO

77,0

54,0

T (°C)

350

Fluxo (ml/min)

Conteúdo de água (%)

1,5

1,0

2,0

Na Tabela 2, são mostradas as corridas nas quais foi obtida a porcentagem máxima de decomposição com cada tipo de óleo, a 300 e 350 ºC, e são indicadas as condições de reação correspondentes. Os produtos obtidos a 350 ºC apresentaram porcentagens de decomposição importantes, correspondendo o valor máximo para o CO (75,1%) e, com valores menores, o SBO (28%), seguido pelo SFO (15%) e, finalmente, pelo HO-SFO (5,8%). As maiores porcentagens de decomposição corresponderam, em primeiro lugar, ao óleo de rícino e, posteriormente, aos óleos com maior grau de insaturação (SBO: rico em 18:2 e com um conteúdo significativo de 18:3; SFO: rico em 18:2; HO-SFO: rico em 18:1). Esses resultados estão de acordo com a estabilidade oxidativa relativa desses óleos determinada pelo método OSI (a 110 ºC), no qual o HO-SFO é o mais estável dos três. A 300 ºC, observou-se que a porcentagem de decomposição não foi muito elevada (exceto para o óleo de rícino, que alcançou um valor de decomposição de 23%); para todos os demais óleos e condições de operação, a porcentagem não passou de 6%. Tabela 2 - Porcentagens máximas de decomposição produzidas nos diferentes óleos e condições de reação correspondentes. Óleo

Decomposição máxima (%)

SBO

5,8

SFO

4,4

HO-SFO

2,1

23,0

SBO

28,1

SFO

15,2

HO-SFO

5,7

75,1

T(ºC)

Fluxo (ml/min)

Conteúdo de água (%) 0

300

350

0,8

5 0

0 0 0

Na Figura 3, são mostrados o conteúdo de éster e a porcentagem de decomposição nos produtos obtidos a partir de cada um dos óleos estudados, a 350 ºC e com 5% de acréscimo de água. 125

Os resultados obtidos indicam uma dependência entre a composição do óleo e o conteúdo de éster. Pode-se observar que o conteúdo de éster, independentemente do fluxo considerado, diminuiu na seguinte ordem: HO-SFO > SFO > SBO > CO. Essa ordem, exceto pelo CO, é inversa à que segue o grau de insaturação de cada óleo, o que confirma a dependência da eficiência do processo com a estabilidade do óleo utilizado. Por sua vez, os níveis de decomposição confirmam a dependência entre ambos os parâmetros, já que a um maior conteúdo de éster correspondeu uma menor porcentagem de decomposição. O óleo de girassol alto oleico foi o que sofreu o menor grau de deterioração, seguido, em ordem de grau de decomposição ascendente, pelo óleo de girassol e pelo de soja. Finalmente, com uma porcentagem muito elevada de decomposição, encontra-se o óleo de rícino. Portanto, a porcentagem de decomposição aumentou na seguinte ordem: HO-SFO < SFO < SBO << CO. No caso do óleo de rícino, observou-se um comportamento diferente, já que os resultados obtidos sugerem que tanto o processo de transesterificação como o de decomposição ocorrem com maior rapidez em comparação ao restante dos óleos estudados. Como consequência, com este óleo foram obtidos os mais altos conteúdos de ésteres a temperaturas relativamente baixas (300 ºC), enquanto a temperaturas superiores (350 ºC) o conteúdo de éster diminuiu significativamente como resultado de um drástico aumento da porcentagem de decomposição.

Figura 3 - Conteúdo de éster e porcentagem de decomposição obtida a 350 ºC com 5% de água para cada óleo.

3 Efeito da exposição dos ésteres etílicos de soja às condições de operação em etanol supercrítico Com o objetivo de simplificar o sistema e para pesquisar as modificações químicas que somente o produto da reação (ésteres alquílicos) pode sofrer durante sua exposição às condições da transesterificação supercrítica, trabalhou-se uni126

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camente com misturas de ésteres etílicos e etanol, as quais foram processadas com o mesmo equipamento e as mesmas condições operativas que as reações de transesterificação (diferentes temperaturas, fluxos e conteúdos de água). As amostras do produto obtido na saída do reator foram analisadas para determinar as alterações que sofreram os ácidos graxos durante esse tratamento. Como já foi anteriormente indicado, os ésteres etílicos obtidos a partir do óleo de soja por catálise química continham 97,3% de ésteres etílicos. Esse produto, misturado em uma proporção de 3 para 40 com etanol, foi submetido às mesmas condições do processo de transesterificação supercrítica em contínuo. A Figura 4 mostra o conteúdo de éster do produto em função do fluxo, para as experiências efetuadas a diferentes temperaturas de interesse (250 a 375 ºC) e o efeito da temperatura sobre a formação dos isômeros trans nos diferentes ácidos graxos insaturados na faixa de temperaturas estudada com 0% de água e 0,8 ml/min. Foi observado que, à medida que a temperatura foi aumentada de 250 a 375 ºC, produziu-se um descenso gradual no conteúdo de éster, efeito mais notório quando foi reduzido o fluxo de operação. O conteúdo mínimo de éster na saída do reator foi estabelecido em cerca de 60% quando o mesmo foi operado a 375 ºC e a um fluxo de 0,8 ml/min, independentemente do conteúdo de água do sistema. Operando ao mesmo fluxo, mas a uma temperatura inferior (350 ºC), o conteúdo de éster aumentou a valores na faixa de 78% a 80%, enquanto a temperaturas ainda mais baixas (300 ou 250 ºC) foram obtidos valores superiores a 90%. A aproximação dos valores de conteúdo de éster do produto à medida que diminuiu a temperatura demonstra claramente o efeito negativo de operar o reator a temperaturas muito elevadas sobre os próprios ésteres etílicos, os quais sofreriam algum tipo de decomposição. Dado que o reator foi alimentado exclusivamente com ésteres etílicos (97,3%) e etanol, esses resultados confirmam que efetivamente ocorrem processos de degradação quando o material lipídico é submetido a essas condições. Dado que, neste caso, o reator foi alimentado com um substrato que continha ésteres praticamente puros e que foram obtidos valores do conteúdo de éster até 30% inferiores na saída do reator, esses resultados também confirmam o pressuposto elaborado em capítulos anteriores de que os fenômenos de decomposição dos próprios ésteres exercem um efeito limitador sobre o rendimento final das reações de transesterificação em condições supercríticas. Ao aumentar a temperatura até 350 ºC, aumenta-se o conteúdo de isômeros trans dos ésteres do 18:2 deste ácido graxo, mas a 375 ºC seu valor diminui devido à decomposição deles. Por outro lado, com os isômeros cis seu valor sempre diminui, o que se torna mais evidente a temperaturas mais extremas, nas quais somente são obtidos 13,6% e 8,0% a 350 e 375 ºC respectivamente, tendo tido os ésteres de partida 54,4%. Um comportamento similar pode ser observado 127

para os ésteres do 18:3, tanto para os isômeros cis como para os trans. Por outro lado, o conteúdo dos isômeros cis e dos trans do 18:1 incrementa-se ao aumentar a temperatura, como consequência do maior desaparecimento dos ácidos graxos mais insaturados (18:2 e 18:3).

Figura 4 - (a) Efeito do fluxo sobre o conteúdo de éster de uma mistura de ésteres etílicos, expostos a etanol supercrítico em um reator contínuo a diferentes temperaturas e com 5% de água; e (b) Porcentagem de ésteres etílicos insaturados discriminando isômeros cis e trans na mistura antes e depois de sua exposição a SC-EtOH, a um fluxo de 0,8 ml/min e sem adição de água ao meio de reação, em função da temperatura.

4 Análise cinética preliminar Na Figura 5, é apresentado novamente um esquema geral no qual são incluídos alguns dos processos que podem ocorrer durante a exposição de uma mistura triglicerídeo/álcool às condições de reação utilizadas neste trabalho. Esse esquema pode eventualmente ser mais complexo ainda se for incluída, por exemplo, a hidrólise dos glicerídeos parciais ou reações secundárias nas quais participa o glicerol, como mencionado previamente (AIMARETTI et al., 2009; ANITESCU; DESHPANDE; TAVLARIDES, 2008).

128

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Figura 5 - Esquema geral de vários dos processos que podem ocorrer ao expor-se um óleo a um álcool supercrítico.

Constantes de velocidade da reação de etanólise A situação é extremamente complicada no momento de calcular os parâmetros cinéticos do processo, devido ao fato de que isso implica a necessidade de determinar as propriedades dos compostos de interesse nas condições de reação, as quais são muito escassas para os valores extremos de temperatura e pressão de interesse. Embora esse inconveniente possa ser contornado recorrendo-se a métodos de aproximação sugeridos na bibliografia, isso ainda é insuficiente, pois, a rigor, interessam as propriedades da mistura, e não as dos componentes puros individualmente. Finalmente, deve-se considerar que, dada a complexidade própria de uma mistura de multicomponentes, a composição do sistema em regime varia ao longo do reator tubular, já que a reação avança à medida que flui por ele. Por esse motivo, para efetuar o enfoque cinético do processo, foram realizadas várias aproximações com o propósito de simplificar a situação proposta. Essas aproximações inevitavelmente condicionaram os resultados obtidos, e por isso somente pretendeu-se realizar uma primeira “aproximação” à cinética do processo, para poder chegar-se a algumas conclusões fundamentais sobre o comportamento do sistema de interesse. Para a estimativa dos parâmetros cinéticos, deve ser utilizado um modelo de mecanismo de reação de interesse, para o qual se considerará uma cinética de primeira ordem, de acordo com o proposto por Kusdiana e Saka (2001b) e He et al. (2007). A Tabela 3 mostra os valores das constantes aparentes de velocidade para a etanólise supercrítica. Como era esperado, os menores valores da constante

129

aparente de velocidade corresponderam às experiências realizadas a 250 ºC, a menor temperatura de trabalho. Para cada concentração de água, o aumento da temperatura até 300 ºC produziu um gradual incremento da constante de velocidade. Não foram observadas diferenças significativas nos valores obtidos para 5% e 10% de água no meio de reação, para qualquer dos três níveis de temperatura. Em todos os casos, a presença de água no sistema acelerou o processo de etanólise. Por exemplo, para a reação transcorrendo a 250 ºC, a constante de velocidade em ausência de água resultou em cerca de 42% das obtidas com adição de 5% ou 10% de água ao sistema. Com o processo transcorrendo a 275 ou 300 ºC, sem a adição de água, a constante de velocidade foi de aproximadamente 30% das correspondentes a essas mesmas temperaturas em presença de água (tanto 5% como 10% de água). O aumento da temperatura a 325 e 350 ºC, no entanto, indica uma mudança no comportamento do sistema com relação ao observado nas três temperaturas mais baixas. Embora as constantes de velocidade correspondentes em ausência de água continuem incrementando-se com a temperatura, a 5% e 10% de água o aumento da temperatura acima de 300 ºC parece reverter ou deter (respectivamente) essa tendência de crescimento. Até 300 ºC, os valores da constante de velocidade são superiores com presença de água no sistema. Em contrapartida, são superiores a 350 ºC em ausência de água e muito semelhantes a 325 ºC. Nas temperaturas mais elevadas, são mais notórios os fenômenos de decomposição dos ácidos graxos, processo que não está considerado nessa abordagem cinética, o que obviamente condiciona os resultados obtidos. Tabela 3 - Constantes aparentes de velocidade para a etanólise supercrítica (k, em min-1). Temperatura (ºC)

(1)

Porcentagem de água no meio de reação 0%

10%

250

0,0029

0,0068

0,0069

275

0,0081

0,026

0,027

300

0,013

0,044

0,043

325

0,030

0,036

350

0,083

0,022

0,035

Nota: (1) Condições de reação: 20 MPa, relação molar etanol/óleo de soja = 40:1

O cálculo de parâmetros a diferentes temperaturas permite introduzir o tratamento dos dados com base no modelo elementar de Arrhenius, de modo a estimar

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a energia de ativação (Tabela 4). Esse procedimento é o mesmo sugerido por Kusdiana e Saka (2001b) para a metanólise supercrítica de óleo de colza. No caso dos resultados obtidos com água adicionada ao etanol, observou-se um aumento nas energias de ativação para valores de 157,8 e 142,1 KJ/ mol, com 5% e 10% de água no meio de reação respectivamente. Isso confirma que, com a presença de água no meio de reação, o processo transcorre por um mecanismo de reação diferente, como já foi mencionado, ao qual corresponde uma energia de ativação superior, e por isso ele é mais influenciado por variações da temperatura de reação que o processo transcorrendo sem adicionar água ao meio. Tabela 4 - Energia de ativação da etanólise supercrítica de óleo de soja a 20 MPa e com uma relação molar óleo/etanol = 1:40. Ea (kJ/mol)

0% H2O

5% H2O

10% H2O

86,9

157,8

142,1

Parâmetros cinéticos da decomposição dos ésteres etílicos A presença de fenômenos de decomposição foi discutida e aparece afetando os resultados do enfoque cinético proposto. Dado que se dispõe de resultados relativos ao progresso da decomposição dos ésteres etílicos puros expostos a SC-EtOH, é interessante comparar os parâmetros cinéticos desse processo com os obtidos para a transesterificação. A Tabela 5 mostra os valores de constante obtidos: em todos os casos, à medida que se aumentou a temperatura, aumentaram os valores da constante cinética da decomposição dos ésteres, independentemente do conteúdo de água no álcool. Esses resultados coincidem com o observado anteriormente, quando se verificou que a porcentagem de decomposição que acompanha a transesterificação sempre se incrementou com o aumento da temperatura. Embora no estudo da porcentagem de decomposição tenha sido comprovado certo efeito “atenuante” da presença de água no meio de reação, os resultados de kd não permitem concluir nada a esse respeito, já que, para cada temperatura, foram obtidos valores da constante da mesma grandeza nos três níveis de água. De qualquer maneira, deve-se considerar que esses resultados não correspondem a uma transesterificação e, portanto, não são extrapoláveis a essa situação.

131

Tabela 5 - Constantes cinéticas do processo de decomposição dos ésteres etílicos puros do óleo de soja (kd) durante sua exposição a SC-EtOH, em função da temperatura e do conteúdo de água do álcool. Temperatura (ºC)

Porcentagem de água no SC-EtOH 0%

10%

300

0,0009

0,0012

0,0009

350

0,0035

0,0059

0,0045

375

0,017

0,014

Dado que se dispõe de valores das constantes de velocidade a diferentes temperaturas, também neste caso supõe-se que é possível aplicar um modelo do tipo Arrhenius. Na Tabela 6, são mostrados os valores da energia de ativação. Embora exista alguma diferença entre esses valores, todos são do mesmo tipo e, dado o erro do método, não é possível afirmar que exista uma diferença real entre as constantes obtidas a cada porcentagem de água. Realizada essa consideração, pode-se tomar uma faixa de 100 a 115 kJ/mol para o valor da energia de ativação correspondente à decomposição dos ésteres etílicos de soja, independentemente do conteúdo de água no álcool. Quando essa faixa é comparada com os valores da energia de ativação obtidos para a transesterificação (Tabela 4), observa-se que o etanol anidro (Ea = 86,9 kJ/mol) encontra-se abaixo dessa faixa. Em contrapartida, os valores correspondentes a 5% e 10% de água no etanol (Ea = 157,8 e 142,1 kJ/mol respectivamente, Tabela 4) encontram-se acima dele. Tabela 6 - Energias de ativação correspondentes ao processo de decomposição dos ésteres etílicos puros do óleo de soja (EaD) expostos a SC-EtOH, a 20 MPa e com uma relação molar ésteres/etanol = 3:40. Ea (kJ/mol)

0% H2O

5% H2O

10% H2O

86,9

157,8

142,1

Em termos práticos, isso indica que o efeito do incremento de temperatura sobre a cinética da decomposição dos ésteres etílicos repercute em igual grau independentemente da adição de água ao mesmo, enquanto a situação é diferente no caso da velocidade da reação da transesterificação. A velocidade dessa reação será afetada em uma proporção menor que a velocidade da decomposição caso não seja adicionada água ao sistema (a 0% de água: Ea < EaD), o que indica que, para maximizar o conteúdo de éster (minimizar a decomposição, na realidade), o processo deveria ser conduzido à mínima temperatura possível e por tempos pro-

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longados. Em contrapartida, nos casos em que a reação transcorre com água adicionada ao álcool, será preferível conduzir o mesmo à maior temperatura possível por tempos curtos, já que o aumento da temperatura afetará em maior proporção a velocidade de transesterificação que a de decomposição.

CONCLUSÕES A elaboração de biodiesel em álcoois supercríticos pode ser realizada de modo eficiente se forem selecionados convenientemente os parâmetros operativos do processo. Neste trabalho, foram obtidos conteúdos máximos de éster em torno de 80%, operando um reator contínuo de 42 ml a uma temperatura de 350 ºC, uma pressão de 20 MPa e uma relação molar álcool/óleo de 40:1, para fluxos e conteúdos de água variáveis segundo o óleo utilizado. A análise dos produtos de reação demonstrou que a exposição do material lipídico a condições extremas de temperatura e pressão produziu o surgimento de isômeros trans de todos os ácidos graxos insaturados e a redução relativa da porcentagem dos mais insaturados. Nas temperaturas mais altas (325-350 ºC) e com o menor fluxo de trabalho (0,8 ml/min), condição mais comprometida no que diz respeito ao tempo de exposição do material às condições do processo, foram observadas importantes porcentagens de decomposição do material graxo. Nessas condições, o óleo de soja apresentou um valor máximo de decomposição de 26% e, dado que os produtos foram obtidos livres de glicerídeos (mono-, di- ou triglicerídeos), deduziu-se que a conversão do óleo foi completa, e por isso os produtos de decomposição remanescentes foram a principal causa que limitou o conteúdo de éster determinado no produto final. Em geral, a adição de água ao álcool destinado ao processo afetou favoravelmente o rendimento da transesterificação em álcoois supercríticos, o que constituiu uma diferença muito significativa em relação ao processo conduzido por meio da catálise química convencional, o qual requer o emprego de reagentes anidros. Esse efeito favorável foi atribuído à combinação de dois fenômenos vinculados à presença de água no meio de reação: o aumento da velocidade de reação; e a diminuição da degradação dos ácidos graxos. O processo de conversão dos diferentes óleos refinados de soja (SBO), girassol (SFO) e girassol alto oleico (HO-SFO) foi relativamente eficiente, e os resultados obtidos nas condições mais drásticas de reação indicaram uma alta dependência entre a composição em ácidos graxos do óleo e o conteúdo de éster do produto. Isso confirma que nesse tipo de processo a ocorrência de fenômenos de decomposição 133

é mais importante a um maior grau de insaturação do óleo destinado ao processo. Com relação à conversão a biodiesel do óleo de rícino em etanol supercrítico, foram observadas algumas características do processo que o diferenciam em grande medida do conduzido com óleos “convencionais”: os rendimentos máximos foram obtidos a temperaturas mais moderadas; a adição de água ao meio de reação apresentou um efeito muito favorável sobre o conteúdo de éster; e nas temperaturas máximas de trabalho a degradação do material lipídico foi extremamente alta. O método supercrítico sem catalisador pode ser considerado uma alternativa válida à catálise química convencional para a síntese de biodiesel, devendo considerar-se as características da matéria-prima a ser utilizada para a seleção dos parâmetros operativos ideais. Dado que a maioria das normativas sobre biodiesel exige que ele seja constituído por no mínimo 96,5% de ésteres alquílicos, os trabalhos nesta área continuarão enfocados em maximizar o conteúdo de éster, o que somente poderá ser conseguido à custa de diminuir o grau de decomposição. Da mesma forma, considera-se relevante estudar um mecanismo cinético mais elaborado que represente de modo mais adequado a complexidade do sistema envolvido no processo de interesse.

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PÓS-GRADUAÇÃO

>>> PEQUENO CONDOMÍNIO DE AGROENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS PROVENIENTE DO TRATAMENTO DE DEJETOS SUÍNOS: UM ESTUDO DE CASO NO MUNICÍPIO DE TUCUNDUVA, RS Rodrigo Barichello

RESUMO A suinocultura é considerada uma atividade de alto potencial poluidor, devido aos excrementos gerados pelos suínos (dejetos). Como forma de minimização desses efeitos, a tecnologia de digestão anaeróbica em biodigestores é uma das possibilidades para o combate da poluição gerada pela suinocultura e, ao mesmo tempo, agrega valor às propriedades rurais. O presente trabalho apresenta um caso prático da implantação de biodigestores em duas propriedades de porte médio criadoras de suínos e, consequentemente, a criação de um pequeno condomínio de agroenergia, no qual um gasoduto interliga as duas propriedades em questão, com o intuito de geração de energia elétrica isolada que utiliza biogás como combustível em um motor a combustão interna, instalado em uma das propriedades. A planta de geração consiste em um motor estacionário adaptado para operar com biogás, acoplado a um gerador elétrico trifásico de 30 kVA nominais. O estudo revela que a aplicação do projeto para a geração de energia elétrica isolada é viável e que a eficiência global do sistema é satisfatória, podendo ainda ser exploradas as opções de cogeração e de emissão certificada de carbono (créditos de carbono). Palavras-chave: biodigestor, geração de energia elétrica com biogás, condomínios de agroenergia.

ABSTRACT The swine is considered an activity of high pollution potential due to manure generated by pigs (manure). In order to minimize the effects, the technology of anaerobic digestion in biodigesters is one possibility for combating pollution from the pig and at the same time, adds value to rural properties. This paper presents a 137

case study of the implementation of digesters in two medium size properties of pig farmers, and therefore the creation of a small condominium agroenergy, in which a pipeline linking the two properties in question in order to generate energy electrical isolation using biogas as fuel in an internal combustion engine, installed in one of the properties. The generation plant consists of a stationary engine adapted to operate on biogas, electric generator coupled to a three-phase 30 kVA rating. The study reveals that the implementation of the project for power generation alone is feasible and the overall efficiency of the system is satisfactory, and may also be explored options for co-generation and emission certified carbon (carbon credits). Keywords: biomass, digester gas, electric power generation with biogas, condominiums bioenergy.

Introdução O meio rural brasileiro passou por intensa revolução tecnológica ao longo das últimas décadas, que culminou em considerável aumento da produtividade no campo. Em contrapartida, as operações agrícolas têm-se mostrado como grandes geradoras de resíduos em todo o mundo (TSAI et al., 2004; MIN et al., 2005; ARVANITOYANNIS; LADAS, 2008; WAGNER et al., 2009). Particularmente em relação à produção brasileira de suínos, os dejetos normalmente são lançados sem tratamento em rios e mananciais (ANGONESE et al., 2006), o que demonstra o enorme potencial poluidor, pois esse material contém fezes, urina, restos de alimentos não ingeridos e os germes e bactérias que o acompanham (ARVANITOYANNIS; LADAS, 2008). A atividade da suinocultura vem apresentando significativo crescimento. Com o aumento da produção, cresce a geração de dejetos. A tecnificação para o tratamento dos dejetos suínos é o grande desafio para a sustentabilidade dessa atividade. É necessário evitar que um volume tão grande de dejetos continue a ser lançado no meio ambiente, poluindo mananciais, solo e ar, pois comprometem não somente a qualidade de vida das populações rurais e urbanas, como também a sobrevivência da fauna e da flora das regiões onde estão os criatórios. Nesse contexto, a tecnologia da digestão anaeróbica em biodigestores é uma das possibilidades para o combate da poluição gerada por essa atividade, que, ao mesmo tempo, agrega valor às propriedades rurais. A utilização de biodigestores tem merecido importante destaque devido aos aspectos de saneamento e energia, além de estimular a reciclagem de nutrientes. A digestão anaeróbica do resíduo 138

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animal através do biodigestor resulta na produção de biogás (gás inflamável), composto basicamente de metano (CH4 – 60% a 70%), dióxido de carbono (CO2 – 30%) (OLIVEIRA, 2004) e biofertilizante. A utilização dos subprodutos do processo de biodigestão (biogás e biofertilizante) possibilita dar valor aos dejetos suínos nas propriedades, transformando um passivo ambiental em oportunidades, uma vez que o item energia é cada vez mais evidenciado pela interferência no custo final da produção: no caso da suinocultura, é um fator que merece ser bem trabalhado, uma vez que as oscilações de preço do produto reduzem a competitividade do setor. O aproveitamento energético do biogás objetiva a melhoria do desempenho global do tratamento do dejeto suíno, reduzindo a emissão de gases de efeito estufa, colaborando para aumentar a eficiência energética da propriedade rural e, consequentemente, a sustentabilidade da produção. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta um caso prático da implantação de um pequeno condomínio de agroenergia, no qual se construiu um gasoduto para interligar o biogás gerado nas duas propriedades de porte médio em uma pequena central de recebimento, com o objetivo de geração de energia elétrica isolada que utiliza o biogás como combustível em um motor a combustão interna, instalado em uma das propriedades. A planta de geração consiste de um motor estacionário adaptado para operar com biogás, acoplado a um gerador elétrico trifásico de 30 kVA nominais, podendo ainda ser exploradas as opções de cogeração e de emissão certificada de carbono (créditos de carbono).

Geração de biogás e de biofertilizante na suinocultura: o biodigestor O biodigestor é um equipamento no qual a fermentação da matéria orgânica ocorre de modo controlado, proporcionando a redução do impacto ambiental e a geração de combustível de baixo custo. A fermentação dos resíduos ocorre mediante a ação de organismos microscópicos chamados bactérias. O processo de decomposição da matéria orgânica resulta na produção de biogás e em restos digeridos sem cheiro (biofertilizante) (INSTITUTO SADIA DE SUSTENTABILIDADE, 2006). O biodigestor é uma espécie de máquina viva que precisa de acompanhamento contínuo, para uma maximização do processo. A contribuição principal desse sistema é que os dejetos produzidos na propriedade são transformados em gás inflamável e os resíduos do processo ainda podem ser utilizados como fertilizantes.

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Biogás A digestão anaeróbica é um processo de tratamento de materiais orgânicos que se desenvolve na ausência de oxigênio e, simultaneamente, uma opção energética, com reconhecida vantagem ambiental. Um dos benefícios do processo, que logo contribuiu para um crescente interesse por essa tecnologia, reside na conversão da maior parte da carga poluente do efluente em uma fonte de energia: o biogás. O biogás proveniente da atividade dos microrganismos é composto de uma mistura de diversos gases, entre eles o metano, o dióxido de carbono, o hidrogênio e o dióxido de enxofre. O biogás é inflamável devido ao metano, gás mais leve que o ar, incolor e inodoro. O que causa o odor no biogás é o dióxido de enxofre, que, mesmo em quantidades pequenas, é perceptível pelo olfato e bastante corrosivo (INSTITUTO SADIA DE SUSTENTABILIDADE, 2006). Os microrganismos que atuam com ausência de oxigênio atacam a estrutura de materiais orgânicos complexos, produzindo compostos simples como o metano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2), conforme se observa na Figura 1 (BITTON, 2005). A composição típica do biogás é cerca de 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de hidrogênio, nitrogênio, amônia, ácido sulfídrico, monóxido de carbono, aminas voláteis e oxigênio (WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000).

Para que ocorra a fermentação da matéria orgânica, as bactérias precisam de um ambiente favorável para seu crescimento e desenvolvimento, como, por exemplo, ausência de compostos químicos tóxicos (sabão, detergente); temperatura adequada (entre 30 e 45 ºC); presença de matéria orgânica (dejetos); e ausência 140

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de ar. Assim, qualquer interferência nesses fatores poderá ocasionar redução na produção de biogás (SEIXAS; MARCHETTI, 1981). Os microrganismos produtores de metano são sensíveis à variação de temperatura, sendo recomendado assegurar-se sua estabilidade, seja através do aquecimento interno, seja pelo melhor isolamento térmico da câmara de digestão durante os meses de inverno. Esse ponto é bastante crítico, pois nos meses de inverno é que se apresenta maior demanda por energia térmica e uma tendência dos biodigestores de produz volumes menores de biogás, o que é causado pelas baixas temperaturas. Pipatmanomai et al. (2009) expressam que o biogás pode ser gerado de resíduos domésticos, esgoto, aterros sanitários e, no caso da criação de porcos, dos resíduos animais e das águas residuais. Estudos realizados pela Embrapa Suínos e Aves indicam que, em média, para cada 76 litros de dejetos líquidos de suíno, tem-se a formação de 1 m³ de biogás.

Conversão do biogás em energia elétrica O aproveitamento dos resíduos sólidos agropecuários, urbanos (lixo) e industriais apresenta diversas vantagens socioambientais e, por isso, há grande interesse em viabilizar seu aproveitamento energético. A produção de energia elétrica a partir desses materiais já apresenta alternativas tecnológicas maduras. Para Tsai et al. (2004), a geração de energia através de fontes renováveis como a biomassa ganhou status mais elevado a partir da década de 1970, com a crise mundial de petróleo. A biomassa é atraente como fonte alternativa de energia do ponto de vista da sustentabilidade, pois, além do ganho explícito para o meio ambiente, há ganhos diretos e indiretos do ponto de vista social, e tem-se mostrado viável do ponto de vista econômico. Como mencionado acima, já existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética do biogás. Entende-se por conversão energética o processo que transforma um tipo de energia em outro. No caso do biogás, a energia química contida em suas moléculas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada. Essa energia mecânica aciona um gerador, que a converte em energia elétrica.

Cooperativismo com biogás (condomínios de agroenergia) Bley Júnior (2009) descreve que o biogás, como produto e como fonte renovável de energias, pode ser explorado em sistemas cooperativos. Para isso, os biodigestores podem ser interligados por gasodutos rurais, formando conjuntos de redes interligadas com gestão associativa, configuradas de forma que permitam o ordenamento territorial. São muito interessantes, porque oferecem escala para a economia do biogás. 141

É possível aos condomínios associar-se interligando seus gasodutos a uma só central geradora de energia, para proporcionar uma economia em escala altamente viável para os participantes e resultados importantes nos âmbitos ambiental, energético e, principalmente, econômico. Esse arranjo tem como perspectiva um modelo de cooperativismo com biogás, independentemente da vinculação do produtor a outras cooperativas, ou integrações. O autor cita, ainda, que as cooperativas de eletrificação rural, que encontram dificuldades para ingressar no processo de geração de energia pelas limitações legais, podem encontrar nos condomínios associados uma interessante solução econômica. Dentro desse contexto, um papel fundamental vem sendo exercido pela Itaipu Binacional. A instituição tem-se dedicado ao estudo e à demonstração da viabilidade técnica e econômica da geração de energia elétrica através do biogás e do saneamento ambiental em várias escalas de produção, implantando, por intermédio de sua Coordenadoria de Energias Renováveis, um laboratório a céu aberto na região oeste do Paraná, PR. Unidades-protótipos foram projetadas e estão sendo construídas na região, as quais permitem desenvolver vários estudos relativos ao biogás gerado pelos resíduos e efluentes orgânicos, como estudo de viabilidade econômica, de geração distribuída ou descentralizada de energia elétrica, térmica e veicular, e ainda estudos sobre mecanismos de desenvolvimento limpo (MDL) para a obtenção de créditos de carbono. O presente trabalho contribui com o que já vem sendo implantado e estudado sobre o assunto, demonstrando que o cooperativismo em biogás é possível em pequenos grupos de produtores (neste estudo, com apenas dois), uma vez que as distâncias entre as propriedades não tornam viável a interligação de vários biodigestores.

Metodologia do estudo Segundo Lakatos (2001), a realização de uma pesquisa é uma atividade básica e essencial para o desenvolvimento do conhecimento, pois, através dela, buscam-se novas informações, novas propostas e novas ações para o desenvolvimento socioeconômico-ambiental. A natureza deste trabalho, de acordo com o tema e os objetivos estabelecidos, caracteriza-se como uma pesquisa do tipo exploratória e utiliza os métodos quantitativo e qualitativo de abordagem para a coleta e a análise dos dados junto às propriedades rurais. A técnica trabalhada nesta pesquisa é o estudo de caso, pois se investigou um fenômeno dentro de seu contexto real, no qual as condições contextuais referem142

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-se ao objeto que está sendo estudado. Yng (2005) comenta que a escolha da metodologia de estudo de caso deve-se ao fato de ser uma técnica de investigação de comportamentos que não podem ser manipulados isoladamente e que devem ser analisados em conjunto. Segundo Bruyne (1997, p. 224), “o estudo de caso reúne informações tão numerosas e tão detalhadas quanto possível, com vistas a apreender a totalidade da situação”. Foi realizado um acompanhamento nas propriedades rurais dos processos envolvidos em um período anterior à implantação do sistema de biodigestão, durante e após sua implantação, até sua total inclusão nas atividades diárias da propriedade. Portanto, pesquisou-se um fenômeno dentro de seu contexto real, aumentando a credibilidade das conclusões obtidas.

Desenvolvimento e análise dos resultados Propriedades do estudo As propriedades protagonistas deste estudo estão localizadas na linha Campininha Tucunduva, no município de Tucunduva, região noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. A propriedade “A” configura-se como uma unidade produtora de leitões (UPL) de 8 kg, com um plantel de 400 matrizes e um volume diário de dejetos estimado em 18 m3. Para um melhor entendimento, as UPL até 8 kg é o processo de criação que envolve basicamente as fases de reprodução e tem como produto final a produção de leitões com peso médio de 6 kg a 8 kg com apenas, em média, 20 dias de idade. Após o desmame, são encaminhados a outro estabelecimento, para a fase de creche. Já a propriedade “B” configura-se como uma UPL de 23 kg, com um plantel de 550 matrizes e um volume diário de dejetos estimado em 25 m3. Nesta, o processo de produção envolve basicamente as fases de reprodução e tem como produto final a produção de leitões com peso médio de 18 kg a 23 kg, entre 50 e 60 dias de idade. Essa criação, além dos reprodutores, possui a fase de creche, na qual os leitões permanecem do desmame até o encaminhamento a outro estabelecimento, para a fase de terminação (engorda). Na Figura 2, pode-se visualizar a localização das propriedades, bem como a posição geográfica em que uma está situada em relação à outra.

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Figura 2 – Visualização das propriedades. Fonte: Google Earth (2011).

Contexto Ambas as propriedades tiveram o início das atividades na suinocultura em meados da década de 1990. Em 2002, firmaram acordo com a agroindústria Sadia S.A., em um sistema de parceria. Bonett e Monticelli (1998) descrevem que o sistema de parceria é formalizado por meio de contratos que apresentam exigências quanto à origem da genética e da ração, especificações técnicas de manejo e retirada de medicamentos, e o provimento de assistência técnica e transporte. Os contratos apresentam garantias formais de compra e venda às agroindústrias parceiras e especificações de volume e prazos, exigência de exclusividade e definição de um preço de referência e de critérios de remuneração em função do desempenho e da uniformidade. Em 2004, a empresa criou o chamado Programa de Suinocultura Sustentável Sadia, ou Programa 3S. A meta era levar os pequenos e médios criadores em sistema de parceria ao sofisticado mercado de créditos de carbono e garantir uma importante fonte de receita para os suinocultores. A concepção do projeto começou com a possibilidade de gerar créditos de carbono com as florestas de eucalipto da empresa, plantada para abastecer de biomassa o processo industrial de geração de vapor. Isso levou a Sadia a iniciar, em 2003, estudos de MDL. Segundo a Sadia (2006), a conclusão foi a de que o projeto mais promissor era na suinocultura, pois a carga orgânica poluidora dos dejetos suínos é 25 vezes maior do que a do ser humano. Nas regiões com alta concentração de suínos, parte desses dejetos é lançada no solo e em cursos d´água, sem tratamento ade144

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quado. Para ter-se uma ideia do que isso significa, uma granja de 300 matrizes pode gerar poluição equivalente a uma cidade de 75 mil habitantes. Dessa forma, o projeto de MDL previu a instalação de biodigestores e teve como objetivo estender a iniciativa a todos os suinocultores integrados da Sadia; assim, produtores com propriedades de pequeno e médio portes teriam a oportunidade de acesso ao mercado de crédito de carbono. O programa estabeleceu que o suinocultor receberia os aparelhos em regime de comodato e abateria o investimento com a geração de seus créditos de carbono, que seriam negociados pelo Instituto (Figura 3 – Fluxograma do Programa 3S). O próprio modelo de biodigestor foi encomendado pela Sadia a fornecedores nacionais, de forma a ter um custo acessível até para os menores produtores, aqueles que têm plantéis de até 300 animais nas granjas.

eles que têm plantéis de até 300 animais nas granjas. Figura 3 – Fluxograma do Programa 3S. Fonte: Instituto Sadia de Sustentabilidade.

Ao longo de 2005, a Sadia promoveu uma ampla divulgação aos suinocultores com que tinham contrato em sistema de parceira, e a adesão ao projeto era voluntária. O investimento dos produtores foi mínimo e de acordo com a viabilidade econômica de cada um. Da parte da Sadia, obtiveram-se R$ 60 milhões de um financiamento aprovado pelo Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES). Nesse contexto, as propriedades “A” e “B” aderiram ao Projeto e instalaram biodigestores em seus sistemas produtivos.

Iniciativa da geração de energia elétrica através do biogás Depois de instalados os equipamentos, por determinado período o biogás gerado nos biodigestores era apenas queimado em flare (equipamento que faz a queima do biogás em altas temperaturas) para a creditação do crédito de carbono, e 145

não era utilizado de outra forma na propriedade. Visualizando outras oportunidades, começaram os estudos por parte dos proprietários para viabilizar outras formas de aproveitamento do biogás, sem que houvesse interferência no projeto dos MDL (crédito de carbono). Surge então no decorrer do processo, a possibilidade de geração de energia isolada. A iniciativa de geração de energia elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento dos dejetos suínos começou com a propriedade “A”. Depois de muitos estudos, tanto de viabilidade técnica, como de viabilidade econômica, em abril de 2010, a propriedade “A” adequou seus processos para a viabilização do projeto de geração de energia elétrica através do biogás.

Geração de energia elétrica: descrição do processo Para um melhor entendimento do sistema, é detalhado, passo a passo, o processo de tratamento dos dejetos suínos até a fase de geração de energia elétrica isolada. O terreno onde a propriedade “A” está localizada possibilitou a instalação do biodigestor e a implantação de unidades coletoras de dejetos de modo mais racional, facilitando as condições de manejo. O terreno está em certo grau de declive, possibilitando que os dejetos gerados na unidade produtiva sejam conduzidos em tubos de 150 mm (PVC), sem a necessidade de bombeamento, para uma caixa de homogeneização de vazão (Figura 4). Todo o dejeto produzido na propriedade é destinado para dentro do biodigestor, onde passa por um tempo de residência hidráulica estimado em 30 dias.

Figura 4 – Tubulação coletora de dejeto.

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O biodigestor construído na propriedade é do modelo canadense (Figura 5), de operação contínua, e sua produção estimada de biogás corresponde a 150 m3 por dia, considerando-se uma vazão média de esgoto de 17 m3 de dejetos por dia.

Figura 5 – Biodigestor modelo canadense.

Além do próprio biodigestor, a propriedade instalou um sistema de armazenamento de biogás. Após o processo de biodigestão, o biogás é enviado para um balão de armazenamento, através de tubulação rígida de PVC com 50 mm de diâmetro (Figuras 6 e 7), para posteriormente ser usado como combustível no conjunto motor-gerador.

Figura 6 – Balão de armazenamento.

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Figura 7 – Biodigestor e balão de armazenamento.

Após estar no balão de armazenamento, o biogás é enviado através de tubulação ao conjunto motor-gerador, instalado na propriedade, que consiste em um motor de combustão interna (diesel) adaptado para o uso do biogás como combustível, acoplado a um gerador de eletricidade, gerando energia dentro da propriedade, com um sistema de distribuição interno e isolado, onde existe uma caixa de comando. Nessa caixa de comando, encontram-se a energia gerada pelo grupo gerador a biogás e a provinda da concessionária local. Mediante o acionamento de uma chave central, o proprietário criador escolhe qual energia quer utilizar. O biogás armazenado é transportado por meio de tubulação rígida de PVC com 50 mm de diâmetro. Nessa tubulação existem um ou mais pontos de purga d’água. Também, na rede de distribuição do biogás para o conjunto gerador foi instalado um sistema de filtro (Figura 8), com limalha de ferro em seu interior, visando à remoção de H2S.

Figura 8 – Filtragem do biogás

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O conjunto motor-gerador de eletricidade trifásico instalado (Figura 9) possui as seguintes especificações: modelo GGB 30 kVA Biogás, com potência de 30 kVA stand-by / 25 kVA contínuo; controle de rotação eletrônico por sensor eletromagnético; chassi com perfil U dobrado; dimensões altura/largura/comprimento de 1.200 mm x 1.000 mm x 2.000 mm, peso de 1.000 kg; gerador da marca WEG, com acoplamento do tipo rígido com flange; grau de proteção IP-21; número de polos igual a 4; rotação de 1.800 RPM; frequência de 60 Hz; tensão de 380 V; e motor da marca Ford 4.9.

Figura 9 – Conjunto motor-gerador.

O conjunto motor-gerador instalado requer alguns cuidados, conforme recomendações para manutenção do sistema: troca de óleo e filtro a cada 250 h – no total são 6 L de óleo no momento da troca do filtro, pois é necessária sempre a troca deste; troca das velas a cada 500 h, devendo a cada 250 h ser limpas; verificação semanal da tensão da correia do alternador; e verificação diária da água do sistema de arrefecimento e do nível de óleo. O conjunto motor-gerador foi instalado na referida granja em abril de 2010 e funcionava por um período de 10 a 12 h/dia. O consumo de biogás observado variava de 10 a 15 m3/h no conjunto motor-gerador, dependendo da potência elétrica gerada. A geração de energia elétrica pelo conjunto motor-gerador, num sistema isolado, depende do consumo de energia da propriedade, ou seja, o motor funciona numa velocidade conforme a necessidade de geração de energia, uma vez que não há excedente de produção. Nesse período em que o biogás era proveniente de apenas uma propriedade, gerava-se em média 1.700 KW/h por mês. 149

O monitoramento da geração de energia elétrica para avaliação técnica do sistema demonstrou que a eletricidade gerada alimenta a rede de distribuição em baixa tensão 220/380 VAC e que, no ponto mais distante do sistema (200 m), a queda de tensão verificada não ultrapassou 1,2%. Na entrada do biogás no conjunto motor-gerador existe um equipamento – para melhor identificação, está na cor azul (Figura 10), onde ocorre a medição do biogás utilizado (consumido), para que, posteriormente, seja também contabilizado como crédito de carbono.

Figura 10 – Sistema de medição metros cúbicos de biogás (crédito de carbono).

Salienta-se que a empresa que forneceu o conjunto motor-gerador teve de atender a critérios básicos de fornecimento de sistemas de aproveitamento energético de biogás para a geração de energia elétrica, estabelecidos por um memorial do Centro de Inovação e Excelência Sadia. A adequação do conjunto motor-gerador deve estar dentro dos requisitos da metodologia da Organização das Nações Unidas (ONU) para a redução de emissões, além de outras especificações obrigatórias fornecidas pela Sadia, a fim de que o sistema de geração de energia seja aprovado e integrado ao sistema biodigestor/queimador do Programa 3S. No memorial, constam as características da aplicação do sistema, as características técnicas do conjunto motor-gerador, as características das instalações e os passos para a homologação Sadia, sempre em conformidade com os requisitos da metodologia da ONU para redução de emissões.

Criação do condomínio de agroenergia A propriedade “B”, como já relatado, também havia instalado o biodigestor apenas para fins de comercialização do crédito de carbono, onde um flare (queimador) fazia a queima do biogás. Como o gás estava sendo apenas quei150

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mado, e não utilizado para outro fim, em comum acordo entre os proprietários, iniciaram-se conversas com a empresa Sadia, em 2010, para conseguir viabilizar a possibilidade (autorização) de construção de um gasoduto interligando as duas propriedades. Dessa forma, o gás da propriedade “B” seria transportado até a propriedade “A”, onde estava instalado o conjunto motor-gerador (Figura 11) e, da mesma forma, seriam contabilizados os metros cúbicos de biogás da propriedade “B”, quando passasse pelo equipamento de medição (Figura 10). Cabe salientar que toda a produção de energia elétrica que será gerada no projeto do condomínio de agroenergia será utilizada somente na propriedade que possui o conjunto motor-gerador, e estão sendo realizadas negociações de como será o eventual pagamento do biogás da propriedade “B”, entre outras decisões.

Figura 11 – Visualização do Projeto Gasoduto de Biogás. Fonte: Google Earth (2011).

Dessa forma, em agosto de 2011 autorizou-se a construção do gasoduto, que foi construído em setembro do mesmo ano (Figura 12), interligando as propriedades “A” e “B”. A concepção do gasoduto foi realizada conforme modelos construídos em países europeus (Alemanha). O gasoduto possui 470 metros de distância entre as duas propriedades, e o biogás é transportado por meio de tubulação rígida de PVC com 100 mm de diâmetro. O gasoduto está interligado diretamente ao biodigestor da propriedade “B”, conforme visualizado na Figura 13. Após percorrer o gasoduto, o biogás é armazenado na propriedade “A”, no balão de armazenamento (Figura 6).

Figura 12 – À esquerda, gasoduto sendo construído; à direta, gasoduto finalizado.

Figura 13 – Início do gasoduto (propriedade “B”).

Alguns números dos projetos executados Denominou-se de “Primeiro Projeto” quando a geração de energia elétrica contemplava apenas uma das propriedades, como visto anteriormente, e de “Segundo Projeto” quando da construção do gasoduto e do condomínio de agroenergia.

Com Primeiro Projeto finalizado e o Segundo Projeto em andamento por aproximadamente 2 meses, foi possível verificar números reais na produção de biogás, geração de energia elétrica. Alguns dados e resultados são apresentados a seguir. • Valor (em R$) do conjunto motor-gerador: R$ 30.000,00. • Valor (em R$) de construção do gasoduto de biogás: R$ 2.100,00, valor este que inclui tubulação, mão de obra e maquinário. Salientase que houve subsídio da prefeitura nos custos de maquinário para a escavação do gasoduto. • Produção de biogás: verificou-se, a partir das medições realizadas com equipamentos apropriados, que no Primeiro Projeto havia disponível a cada mês, em média, 150 m3 de biogás, passando-se, com a interligação das duas propriedades, a um volume de 350 m3. • Tempo do gerador em operação: no primeiro projeto, o conjunto motor-gerador ficava em operação entre 10 e 12 h/dia. Com a implantação do Segundo Projeto, o conjunto motor-gerador passou a estar em funcionamento por aproximadamente 23 h/dia. Levou-se em consideração o tempo que o motor fica desligado para a manutenção preventiva . • Geração de energia elétrica: no primeiro projeto, os resultados mostraram uma média de geração de energia elétrica mensal de 1.700 KW/h, totalizando uma economia aproximada de R$ 714,00, considerando o valor do KW/h de R$ 0,42, com base no valor praticado pela cooperativa de eletrificação rural, enquanto, no Segundo Projeto, obteve-se uma economia de R$ 2.100,00, ou seja, a propriedade está deixando de efetuar o pagamento à concessionária . Quadro 1 – Dados comparativos. Primeiro Projeto

Segundo Projeto

Produção de biogás (mês)

150 m

350 m3

Geração de energia elétrica (mês)

1.700 KW/h

5.000 KW/h

Tempo do gerador em operação

10-12 h/dia

Aprox. 23 h/dia

Economia em R$ energia (mês)

R$ 714,00

R$ 2.100,00

Um relatório comparativo de viabilidade econômica financeira está sendo elaborado e será apresentado posteriormente em outro estudo.

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Conclusão No presente trabalho, demonstrou-se a possibilidade de utilização do biogás para a geração de energia elétrica em um pequeno condomínio de agroenergia. O presente trabalho evidencia, através de estudo de caso, como a implantação de biodigestores para o tratamento dos dejetos e a concomitante produção de biogás para a geração de energia e biofertilizante em propriedades suinocultoras podem melhorar a qualidade e a produtividade de propriedades criadoras de suínos, contribuindo na solução de problemas relacionados principalmente à questão ambiental e de disponibilidade de energia, além de incentivar a permanência do trabalhador no meio rural, mediante uma produção sustentável. A possibilidade do uso do biogás nas propriedades com criação de suínos agrega valor ao processo de tratamento dos dejetos das propriedades rurais, diminui os custos de produção e, inclusive, possibilita uma visão sistêmica do agronegócio, sob o ponto de vista da gestão ambiental. Salienta-se, entretanto, que essa tecnologia deve ser transferida aos produtores rurais com os devidos cuidados, sempre aprimorando a assistência técnica, para que erros, muitas vezes primários, não venham a inviabilizar todo o processo. Os estudos de viabilidade econômico-financeira apresentam resultados animadores na utilização dessa tecnologia, uma vez que se trata de uma unidade de produção de leitões, que demanda grande consumo de energia para o aquecimento dos animais recém-nascidos, além da possibilidade de uso do biofertilizante, o que reduz a quantidade necessária de adubo químico nas lavouras. Também não foram abordados, ainda, possíveis futuros ganhos com os créditos de carbono. Os resultados dos programas de agroenergia não podem ser medidos apenas pela unidade de energia (kW ou kW/h), mas também por seu desempenho econômico e pelas externalidades ambientais e sociais. Verifica-se que os condomínios de agroenergia podem proporcionar uma economia em escala altamente viável para os participantes e importantes resultados ambientais, energéticos e, principalmente, econômicos. Outro fator importante, vinculado à localização das propriedades, é a ocorrência de grande número de eventos ambientais (chuvas com ventos fortes), o que acarreta muitas interrupções da transmissão de energia por parte da concessionária local, sendo o conjunto motor-gerador estratégico para poder minimizar os efeitos dessa falta de energia, tornando-se também um gerador de emergência.

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