Potência gerada a partir dos resíduos sólidos urbanos

Para o estudo da quantidade de potência gerada nas diversas situações, tomou-se como base o estudo feito por PECORA (2008), pesquisadora do Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO) da Universidade de São Paulo (USP). O estudo tem como título

“Potencial de geração de energia elétrica e iluminação a gás por meio do aproveitamento de biogás proveniente de aterro sanitário” e, apesar do estudo de caso se referir a aplicações em aterros, a determinação da potência gerada se aplica ao caso aqui proposto uma vez que se distingue apenas na maneira de se obter o biogás. Desta forma, serão utilizadas as formulações presentes no trabalho acima citado, porém com as devidas adaptações para o biogás gerado no biodigestor a partir da tecnologia DRANCO.

Será então adotado o grupo motor gerador de ciclo Otto, visto a possibilidade de rápida instalação e facilidade de manutenção, por ser uma tecnologia já existente no país. Este motor teria então a potência nominal determinada pela quantidade e composição dos resíduos sólidos coletados, da eficiência do biodigestor em produzir o biogás a partir do lixo e da vazão determinada para esse biogás.

A Figura 3.4 ilustra, como exemplo, um motor ciclo Otto adaptado de potência nominal de 200 kW para realização de testes na Central de Tratamento de Resíduos de Caieiras, no

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estado de São Paulo, onde seria utilizado para gerar energia elétrica a partir do biogás proveniente de resíduos sólidos urbanos.

A determinação da potência final utilizada para cada simulação será distinta para cada caso de interesse. Isso será possível graças à câmara de armazenamento do biogás. Depois de o resíduo sólido gerar o biogás, a vazão será escolhida de forma que possa gerar o dia inteiro ou apenas em alguns períodos do dia, e alterando essa vazão, haverá mudança na potência gerada no motor gerador.

Fonte: FIGUEIREDO, N. J. V., Utilização do biogás de aterro sanitário para geração de energia elétrica e iluminação a gás – estudo de caso. São Paulo, 2007.

Figura 3.4 Grupo motor gerador utilizado para conversão de biogás em energia.

A formulação matemática para a potência gerada foi a utilizada em PECORA (2008) e considerando todos os fatores já analisados nesse trabalho, como o poder calorífico do biogás, o rendimento do motor, a concentração de metano no biogás, entre outros aspectos.

A fórmula a seguir, retirada do mesmo trabalho, indica a potência final fornecida pelo grupo motor gerador utilizado nesta simulação.

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Nessa fórmula, ̇ indica a vazão de biogás que será disponibilizada para o motor gerador de forma que a sua queima possa gerar a energia elétrica. A variável reflete a concentração de metano no biogás utilizado e, conforme estudado no capítulo 2, terá o valor de 80% para as simulações realizadas no presente estudo. Esta concentração toma como hipótese a purificação do biogás por unidades filtradoras, procedimento já estudado anteriormente. Em relação ao poder calorífico inferior (PCI), o valor utilizado será o de 7000 kcal/m³ de biogás, parâmetro que foi definido no item 3.3.1.3 (Poder calorífico do biogás) e servirá de base para a determinação da potência gerada. Para a variável , o valor utilizado foi de 28% e reflete a eficiência do gerador utilizado, tem como base os dados do fabricante (LANDSET). Finalmente, a constante 860 na fórmula diz respeito à conversão da unidade kcal, presente na vazão do biogás, para kW.

A fórmula (1), apesar de ser válida, necessita de adaptação para o caso proposto nesse trabalho, de forma que relacione a quantidade de resíduos com a potência final gerada, abrangendo todas as variáveis relacionadas. Apresenta-se agora a fórmula utilizada para determinar a quantidade de lixo gerada em um dia que será utilizada em cada gerador.

( )

A fórmula (2) considera todo o lixo gerado em um condomínio, bloco ou qualquer conjunto habitacional ou comercial que terá o lixo utilizado para geração de energia elétrica. Assim, , presente na fórmula, indica o número de pessoas por lote e

reflete o número de lotes participantes deste grupo habitacional ou comercial. A variável é a quantidade média de lixo gerada por um habitante em cada dia, em kg. Quando multiplicados diretamente esses fatores, tem-se como resultado a quantidade de lixo gerada por todo aquele conjunto de lotes em um dia, que será disponibilizado para o biodigestor para a produção de biogás.

Com a quantidade de lixo gerada já determinada, é possível então fazer a formulação matemática da potência gerada, utilizando como base a fórmula já citada presente em PECORA (2008). Com as devidas adaptações e os parâmetros citados no presente capítulo, chega-se a seguinte fórmula:

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( )

A fórmula (3) mantém a mesma forma da apresentada anteriormente, porém a vazão do biogás ̇ foi substituída por de forma a se adaptar melhor aos dados obtidos nesse estudo. O fator de conversão utilizado é responsável por transformar a quantidade de lixo, em kg, na vazão em m³/h. Como já elucidado no item 3.3.1.2, são gerados 0,13 metros cúbicos de biogás a partir de 1 kg de resíduos sólidos urbanos. Portanto, em um dia, para essa quantidade de lixo, tem-se uma vazão de m³/h.

Desta forma, a vazão base a ser utilizada será de m³/h e a quantidade base será de 1 kg, gerando um fator de conversão determinado pela seguinte fórmula.

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Os outros parâmetros utilizados na fórmula (3) serão mantidos com os valores citados anteriormente: concentração de metano igual 80%, poder calorífico inferior do biogás igual a 7000 kcal/m³ e rendimento do motor igual a 28%.

Além da análise quantitativa proposta acima, deve-se levar em consideração a característica do motor utilizado para determinar a potência reativa gerada também no sistema. Para essa finalidade foi utilizado uma análise comparativa entre geradores síncronos e geradores de indução para aplicação em geração distribuída realizada pelo Departamento de Sistemas de Energia Elétrica e o Departamento de Controle e Sistemas de Energia, da Universidade Estadual de Campinas, com o intuito de verificar os impactos desses geradores no desempenho de redes de distribuição.

Nesse trabalho, algumas questões técnicas foram analisadas, como o perfil de tensão de regime permanente, perdas elétricas, estabilidade de tensão, estabilidade transitória, afundamento de tensão devido às faltas desequilibradas e correntes de curto-circuito. Os resultados dessa análise mostraram que a melhor decisão do ponto de vista técnico deve ser tomada baseada nas características da rede e dependerá da maior restrição operativa da rede referente ao aumento da capacidade de geração distribuída (FREITAS et al., 2005).

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É afirmado que, no caso de geradores síncronos conectados em redes de distribuição, não há consenso entre diferentes guias e práticas adotadas por concessionárias distintas sobre qual é a melhor filosofia de controle a ser adotada para o sistema de excitação.

Tipicamente, há duas formas de controle que podem ser empregadas: tensão constante ou fator de potência (potência reativa) constante (FREITAS et al., 2005).

No caso de geradores distribuídos, é adotada uma estratégia de controle de fator de potência por produtores independentes para evitar o pagamento de penalidades devido ao consumo de potência reativa ou para maximizar a geração de potência ativa. Neste caso, usualmente, a operação com fator de potência unitário é adotada.

Como conclusão desse estudo, chegou-se que do ponto de vista de perfil de tensão de regime permanente, estabilidade de tensão e estabilidade transitória, o uso de geradores síncronos controlados por tensão leva a um melhor desempenho da rede e permite que a capacidade máxima permissível de geração distribuída seja mais elevada. Porém, caso seja de interesse do governo e/ou concessionárias, as penalidades impostas a este tipo de geradores durante operação indutiva devem ser eliminadas. De maneira geral, o uso de geradores síncronos com fator de potência constante não é a pior opção do ponto de vista do desempenho global do sistema (FREITAS et al., 2005).

Assim para este trabalho, utilizando-se então das afirmações sobre gerador em uma geração distribuída e considerando a decisão de adotar um motor síncrono para a geração, adotou-se o fator de potência constante e equivalente a 1. Com essa medida, a geração constitui-se somente de potência ativa em um regime permanente. Dessa maneira, essa colocação será utilizada como instrumento de geração para o estudo do alimentador e do fluxo de potência.