PGEB isolada da rede e sem aquecimento (PGEB1)

A Figura 37 ilustra uma granja com PGEB isolada da rede e sem aquecimento do biodigestor.

Essa planta apresenta a configuração mais simples e de menor custo, pois não necessita do painel de conexão e proteção da rede e não possui aquecimento do biodigestor.

Os dejetos vão, diariamente, por gravidade até o tanque de homogeneização que serve para homogeneizar e regular o fluxo de alimentação do biodigestor.

Após ter sua vazão diminuída, os dejetos seguem também por gravidade ao biodigestor, onde permanecem em média o tempo definido pelo TRH e são convertidos em biogás e biofertilizante.

Figura 37 - PGEB1: Isolada da rede e sem aquecimento

Aproximadamente a mesma quantidade de dejetos que entra no biodigestor sai para o tanque de biofertilizante, de onde é aplicado ao solo com uma carga orgânica muito menor.

O biogás sai do biodigestor quente e saturado de umidade. Para a remoção da umidade e seu resfriamento, ele segue por uma tubulação enterrada até o motogerador. Para remover o condensado existem purgas ao longo da canalização.

A remoção de H2S é feita através da biodesulfurização com injeção de ar no biodigestor na quantidade de 5% do volume de biogás produzido.

No motogerador o biogás é convertido em EE que alimenta as cargas da propriedade sem ter contato com a rede da distribuidora.

A energia gerada segue através de uma rede de distribuição interna exclusiva da propriedade.

Nas PGEBs isoladas da rede, como é o caso, a potência elétrica gerada é variável e igual a soma das cargas da granja e auxiliares da PGEB em cada instante.

Como a rede interna da granja é isolada da rede da concessionária, nas PGEBs isoladas a ligação do gerador é trifásica, aumentando assim a potência máxima do gerador e seu rendimento.

É importante salientar também, que as PGEBs sem aquecimento apesar de não possuírem as cargas auxiliares do sistema de cogeração, elas ainda apresentam a carga auxiliar referende a bomba de agitação do substrato no biodigestor. Essa carga, ao contrário das cargas auxiliares do sistema de cogeração, é fixa e funciona permanentemente, mesmo com o motogerador desligado.

Caso exista excesso de biogás no gasômetro, este é direcionado para um queimador para evitar sobre pressão e diminuir o potencial de efeito estufa do metano.

A seguir são apresentados os componentes principais da planta: Biodigestor

O biodigestor utilizado na planta é do modelo canadense, com configuração tronco trapezoidal regular, confeccionado em geomembrana de PEAD e PEBDL com TRH de 20 dias, conforme ilustra a Figura 38. O biodigestor classifica-se por digestão úmida em uma fase e três estágios com alimentação contínua e mesofílico. O mesmo modelo de biodigestor é utilizado nas quatro diferentes configurações de PGEB, porém aquelas com aquecimento, o biodigestor possui uma camada de 5 cm de isolante térmico (0,035 W/m°C) entre as paredes, piso e o solo (1 W/m°C). A geomembrana de PEAD inferior possui 1,00 mm de espessura e a de PEBDL superior possui 1,25 mm de espessura, ambas com condutividade térmica de 0,35 W/m°C.

Figura 38 - Modelo do biodigestor utilizado

Na granja UCT possui volume de 53 m3 e na granja UPL de 118 m3.

A Tabela 15 apresenta as dimensões dos biodigestores. Tabela 15 - Dimensões dos biodigestores utilizados

Granja _(𝑚) 𝐻 _(𝑚) 𝐶𝑠 _(𝑚) 𝐶𝑖 _(𝑚) 𝐿𝑠 _(𝑚) 𝐿𝑖 𝐴𝑠𝑢𝑝 (𝑚2₎ 𝐴𝑝 (𝑚2₎ 𝐴𝑓 (𝑚2_{) (𝑚}𝐴𝑐𝑜𝑏2_{) (𝑚}𝑉𝑠𝑢𝑏3_{) 𝑚}𝑉𝑔á𝑠3 UCT 2,00 12,00 9,20 4,00 1,20 48,00 64,50 14,43 75,00 53,00 75,00 UPL 2,70 15,65 11,87 5,22 1,44 81,00 112,62 22,46 147,00 118,00 165,00

Sistema de agitação

O sistema de agitação é formado por agitadores hidráulicos e uma bomba que retira o substrato de certo ponto e o injeta em diversos pontos do biodigestor. A bomba, conforme ilustra a Figura 39, foi dimensionada para aumentar o contato do substrato fresco com as bactérias, evitar gradientes pronunciados de temperatura e promover a dispersão dos metabólicos.

Figura 39 - Modelo da bomba de agitação utilizada

Assume-se que a agitação proporciona uma velocidade mínima do substrato de 0,05 m/s. A agitação é utilizada em todas as PGEBs com as mesmas configurações. O sistema de agitação funciona de forma contínua em todas as PGEBs, constituindo-se assim em uma carga auxiliar fixa. Caso o motogerador estiver desligado a bomba consumirá energia da rede. A bomba de agitação funciona em potência máxima durante todo tempo.

Os dados técnicos das bombas de agitação são apresentados na Tabela 16.

Tabela 16 - Dados técnicos das bombas de agitação utilizadas

Granja Potência (kW) Vazão máx. (m3/h) Pressão máx. (kPa) Rendimento (%) UCT 2,205 12,00 208,00 32,50 UPL 2,94 16,00 255,00 39,00

Fonte: elaborado pelo autor Tanque de Biofertilizante

Após ser digerido no biodigestor, o agora biofertilizante flui para o tanque de armazenamento. Os tanques de biofertilizante foram

projetados com 100 dias de TRH, possuem geometria tronco trapezoidal regular e são confeccionados em geomembrana de PEAD de 1,00 mm de espessura. Os mesmos tanques de biofertilizante são utilizados nas quatro plantas. A Figura 40 ilustra um tanque de biofertilizante.

Figura 40 - Modelo de tanque de biofertilizante

A Tabela 17 apresenta as dimensões dos tanques de biofertilizante.

Tabela 17 - Dimensões dos tanques de biofertilizante utilizados

Granja 𝐻_𝑡(𝑚) 𝐶𝑠,𝑡(𝑚) 𝐶𝑖,𝑡(𝑚) 𝐿𝑠,𝑡(𝑚) 𝐿𝑖,𝑡(𝑚) 𝑉𝑡(𝑚3)

UCT 2,00 13,40 9,40 13,40 9,40 262

UPL 2,00 19,15 15,15 19,15 14,15 590

Fonte: elaborado pelo autor Motogerador

O motogerador utilizado nas plantas é o de menor potência encontrado no mercado capaz de alimentar uma granja isolada da rede e também o menor capaz de ser conectado a rede.

É composto por um motor de combustão interna de 2,94L, três cilindros e aspiração natural, modificado do ciclo Diesel para o ciclo Otto acoplado a um gerador elétrico originalmente trifásico, conforme mostra a Figura 41.

Em razão da rede elétrica das granjas ser monofásica, no caso das granjas conectadas a rede, a ligação do gerador também deve ser monofásica. Como o gerador é originalmente trifásico, a ligação monofásica faz com que a potência máxima do gerador seja reduzida em aproximadamente 40% e o rendimento reduzido em aproximadamente 8%. Isso faz com que mesmo quando o gerador estiver com carga

máxima, o motor trabalhe com apenas 65,8% de carga, reduzindo o rendimento do grupo gerador para uma mesma carga.

Figura 41 - Motogerador utilizado nas PGEBs

Em razão da rede elétrica das granjas ser monofásica, no caso das granjas conectadas a rede, a ligação do gerador também deve ser monofásica. Como o gerador é originalmente trifásico, a ligação monofásica faz com que a potência máxima do gerador seja reduzida em aproximadamente 40% e o rendimento reduzido em aproximadamente 8%. Isso faz com que mesmo quando o gerador estiver com carga máxima, o motor trabalhe com apenas 65,8% de carga, reduzindo o rendimento do grupo gerador para uma mesma carga.

A ligação trifásica é utilizada nas plantas isoladas da rede. Nas PGEBs sem aquecimento do biodigestor (1 e 3) o calor dos gases de exaustão e do arrefecimento do motor são perdidos para a atmosfera na tubulação de descarga e no radiador respectivamente.

Devido à inexistência de potências menores, o mesmo motogerador é usado nos oito BSI, porém nas plantas com aquecimento do biodigestor, o radiador é substituído por um trocador água–água responsável por recuperar o calor de arrefecimento do motor. Nestas plantas o radiador é utilizado somente em momentos de excesso de temperatura no motor ou no biodigestor causado por elevada temperatura do ar ambiente.

A temperatura da água de arrefecimento na entrada do motor é mantida a 76°C e a água de saída a 84°C, de forma a manter uma diferença de temperatura de 8°C para evitar estresse térmico no motor e elevada vazão do líquido de arrefecimento. A Tabela 18 resume as características técnicas do motogerador.

Tabela 18 - Dados técnicos do motogerador utilizado

Granja UCT/UPL

Ligação Monofásico Trifásico

Potência máxima contínuo

𝑃𝑜𝑡𝑚á𝑥 (kW) 12 20

Tensão (V) 220 220

Consumo de biogás

𝑉 𝑏𝑖𝑜𝑔 á𝑠 (Nm3/h) 0,3953 ∗ 𝑊 𝐺𝐸𝑅+ 3,6929 0,3695 ∗ 𝑊 𝐺𝐸𝑅 + 3,6079

Temperatura dos gases de

exaustão 𝑇3 (°C) 525 525

Potência dissipada pelo sistema de arrefecimento 𝑄 𝑔𝑒𝑥 (kW)

0,3 ∗ 6,445 ∗ 𝑉 𝑏𝑖𝑜𝑔 á𝑠 0,3 ∗ 6,445 ∗ 𝑉 𝑏𝑖𝑜𝑔 á𝑠

Rendimento do gerador

𝜂𝐺𝐸𝑅 0,82 0,90

Fonte: elaborado pelo autor