Motores de combustão interna (MCI)

A produção de energia elétrica a partir do biogás pode ser feita com MCI ciclo Otto ou Diesel. No ciclo Otto, a mistura ar/biogás entra em ignição com o auxilio da vela de ignição. No ciclo Diesel, a mistura ar/biogás sofre ignição devido à injeção piloto de diesel sobre a mistura a alta pressão e temperatura. A quantidade injetada varia de 10 e 20% quando comparada ao uso do motor somente com diesel (MITZLAFF, 1988).

Este trabalho, concentra-se em MCI ciclo Otto por equiparem mais de dois terços de novas plantas à biogás no mundo (FNR, 2010) .

As principais características dos MCI para geração de energia elétrica são (WELLINGER, 2013; FNR, 2010; ORLANDO, 1996):

• Possibilidade da utilização de diversos tipos de combustíveis, tanto líquidos quanto gasosos, o que os torna muito flexíveis; • Bem adaptados para pequenas e médias demandas elétricas, desde

poucos kW até dezenas de MW;

• Eficiência elétrica é menos susceptível às condições ambientais do que as MT;

• Possibilita instalações modulares e flexíveis, com tempo de construção curto e rápido start-up;

• Apropriados para condições de partida e parada diárias; • Alta relação potência/peso;

• Eficiência de 30 a 40% crescendo com o tamanho do motor; • Necessita manutenções mais frequentes;

• Dependendo do tipo de motor, pode chegar a uma vida útil de 60.000 horas;

• Custo relativamente baixo comparado às outras alternativas; 2.5.4.1 O uso de biogás nos MCI

Existe uma série de características desejáveis para um MCI à biogás e sua operação, muito importantes para que este apresente a maior eficiência elétrica e durabilidade possível. Entre elas podemos citar (MITZLAFF, 1988):

• Concentrações de H2S abaixo de 100 ppm; • Redução da umidade do biogás;

• Remoção de siloxanos;

• Concentração mínima de metano de 45%; • Taxa de compressão entre 12 e 14; • Uso de turbo compressores;

• Controle eletrônico do ponto de ignição para lidar com a concentração variável de CH4;

• Sistema de ignição de alta energia;

• Controle preciso da mistura ar/combustível;

• Trabalhar com excesso de ar para uma maior economia de combustível;

• Sede de válvula de material mais resistente ao atrito;

• Proteção/substituição de materiais susceptíveis a corrosão por H2S;

• Uso de óleo lubrificante que mantenha alta alcalinidade por longos períodos;

• Grande reservatório de óleo para prover uma maior capacidade de diluição de impurezas;

Atualmente, a grande maioria das PGEBs, localizadas principalmente na Alemanha, utiliza MCI ciclo Otto derivado de motores desenvolvidos para utilizar gás natural com potência entre 50 e 600 kW. Com pouca ou nenhuma modificação, esses motores são aptos a funcionar com o biogás de baixo teor de enxofre, atingindo eficiências elétricas entre 34 e 42% e vida útil de 60.000 horas (DEUBLEIN & STEINHAUSER, 2008). Essas plantas geralmente fazem cogeração e utilizam culturas energéticas como substrato, o que proporciona uma produção de biogás 10 vezes maior que com dejetos de suínos. Isso faz com que o tamanho médio das plantas também seja maior e consequentemente a potência dos geradores. É raro encontrar motores para biogás menores que 50 kW.

No Brasil, não existe fabricantes de motores específicos para biogás. O que existe, são empresas que utilizam motores ciclo Otto originalmente a gasolina, flex ou diesel adaptados.

Em sua grande maioria, as empresas brasileiras de grupos geradores a biogás, utilizam motores originalmente projetados para óleo diesel convertidos para o ciclo Otto. Essa conversão normalmente envolve a substituição dos bicos injetores de diesel por velas de ignição, adoção de um sistema de ignição e um sistema de controle de velocidade e mistura ar/combustível. Caso a taxa de compressão seja muito alta, é necessário também reduzi-la, o que geralmente não é necessário devido ao número de metano elevado do biogás.

O uso de motores a Diesel “ottolizados” tem obtido sucesso, principalmente por dispor da maior robustez de um motor a diesel e uma alta taxa de compressão, requisitos necessários para um motogerador a biogás.

2.5.4.2 Exemplos de aplicação

OLIVEIRA & HIGARASHI (2006) demonstraram a possibilidade da utilização do biogás produzido num biodigestor canadense de 300 m3, TRH de 35 dias e alimentado com dejetos de uma granja UPL de 200 matrizes na produção de energia elétrica através do uso de um motor ciclo Otto de 2 litros, originalmente a gasolina e adaptado para biogás. A remoção da umidade foi feita por condensação na tubulação de gás, e a filtragem do H2S com um filtro de limalha de ferro. A potência do gerador era de aproximadamente 35 kW e apresentou um consumo médio de 22 Nm3/h. A carga instalada na propriedade era aproximadamente 30,5 kW. A geração de biogás foi

estimada em 150 Nm3/dia, o que permitia o grupo gerador funcionar entre 4 e 6 horas diárias.

MARQUES (2012) avaliou a produção de biogás e energia elétrica a partir de dejetos suínos utilizando um grupo gerador com motor Diesel “ottolizado”. A granja contava com dois biodigestores com TRH de 30 dias, um de 876 m3 e outro de 219 m3. O número médio de animais em terminação e a produção de biogás foram de 4.762 e 553 m3/dia, respectivamente. O motogerador de 76 kW foi capaz de funcionar 10 horas diárias em média com um consumo específico de 0,68 Nm3/kWh e eficiência elétrica de 22,21%. O autor concluiu que a produção de eletricidade na propriedade é inviável, pois o custo da energia foi de 0,45 R$/kWh e o valor pago pela concessionária para a energia excedente era 0,14 R$/kWh.

Dentre as demais tecnologias para a conversão do biogás em energia elétrica estão os motores Stirling e as células a combustível, porém elas não serão contempladas no trabalho.

Ressalta-se que as células a combustível podem vir a ser uma alternativa viável para a produção eficiente de energia elétrica a biogás em pequenas plantas, alcançando eficiências elétricas próximas a 60%.

Devido principalmente ao tamanho médio das propriedades na população em estudo, a maior disponibilidade no mercado e o menor custo, este trabalho considera a geração de energia elétrica utilizando apenas MCI ciclo Otto.