UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ANDREI FERREIRA ANDRETTA
ANÁLISE DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ATRAVÉS DE BIODIGESTOR
Ijuí 2018
ANDREI FERREIRA ANDRETTA
ANÁLISE DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ATRAVÉS DE BIODIGESTOR
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me Sandro Alberto Bock
Ijuí 2018
DEDICATÓRIA
Aos meus pais e minha família, pelo apoio e compreensão nesta caminhada.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus que tem sido minha fortaleza e amparo nesta empreitada.
Ao meu Pai e minha Mãe pelo apoio e por sempre me educaram e acreditarem em mim, para que eu chegasse até aqui.
Aos meus irmãos, que assim como meus pais sempre me apoiaram e de certa forma me ajudaram nos objetivos que alcancei.
Ao professor Sandro Bock, pela amizade e pela disponibilidade e atenção com que sempre me atendeu durante a elaboração deste TCC.
A Unijuí que me proporciona uma formação de qualidade próxima à minha residência.
A todos os demais professores que sempre exerceram com seriedade e profissionalismo a sua distinta profissão.
Aos amigos e colegas que sempre me apoiaram quando necessário.
RESUMO
A Geração Distribuída (GD) é um mercado que está em processo de crescimento acelerado no cenário brasileiro, pois proporciona ao consumidor, uma redução em sua fatura de energia elétrica, o que torna-se atraente a diversos consumidores. O setor elétrico é um dos mais regulamentados e normatizados do mercado brasileiro, exemplo disto é a constante fiscalização das agencias regulamentadoras sobre a Qualidade de Energia Elétrica (QEE), fornecida pelas distribuidoras aos seus consumidores. Anteriormente à Geração Distribuída, a distribuidora possuía controle da energia fornecida a rede de distribuição, mas a partir do momento em que existe a conexão de novas fontes de energia, este controle acaba sendo comprometido, pois a mesma não se encontra centralizada como as fontes tradicionais, e a quantidade de energia gerada, a qualidade e o tempo que a mesma permanece em atividade não dispõe de controle em tempo real. A GD pode apresentar impactos aos consumidores e distribuidoras de energia, uma vez que pode vir a influenciar significativamente o fluxo de potência, o perfil de tensão, a estabilidade e a qualidade da energia. Por isso, uma análise de seu comportamento torna-se importante, tanto para a distribuidora como para o consumidor. Este presente trabalho apresenta o atual cenário da Geração Distribuída no Brasil, assim como seu crescimento, e também, uma visão de normas para a conexão destas fontes ao sistema elétrico, dando ênfase a sistemas de GD que utilizam o biogás como fonte de energia, e as diversas tecnologias utilizadas em biodigestores. O principal objetivo do trabalho é apresentar um estudo de caso realizado em uma Geração Distribuída, cuja fonte de energia é proveniente de biogás, resultado de um biodigestor responsável pela decomposição de dejetos oriundos de bovinos da atividade leiteira. Este estudo se fez a partir da instalação de um registrador de grandezas com a finalidade de registrar e armazenar as informações das grandezas influenciadas pelo funcionamento da GD, e assim, analisar a Qualidade da Energia Elétrica desse consumidor e da geração de energia. Para caracterização das informações, será tomado como parâmetro, o manual de Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, elaborado pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, que normatiza e padroniza as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica. Ao fim deste trabalho são apresentados os resultados referente a análise dos dados fornecidos através do registrador em função dos limites permitidos e seus respetivos indicadores.
ABSTRACT
Distributed Generation (GD) is a market that is in the process of accelerated growth in the Brazilian scenario, as it provides consumers with a reduction in their electricity bill, which is attractive to several consumers. The electric sector is one of the most regulated and regulated in the Brazilian market, an example of which is the constant inspection of regulatory agencies on the Quality of Electric Energy (QEE), provided by the distributors to their consumers. Prior to Distributed Generation, the distributor had control of the power supplied to the distribution network, but once the connection of new sources of energy exists, this control ends up being compromised, since it is not centralized like the traditional sources , and the quantity of energy generated, the quality and the time that it remains in activity does not have control in real time. GD can have an impact on consumers and energy distributors, as it can significantly influence power flow, voltage profile, stability and power quality. Therefore, an analysis of their behavior becomes important, both for the distributor and for the consumer. This present work presents the present scenario of the Distributed Generation in Brazil, as well as its growth, as well as a vision of standards for the connection of these sources to the electric system, giving more emphasis to GD systems that use biogas as a source of energy, and the various technologies used in biodigesters. The main objective of this work is to present a case study carried out in a Distributed Generation, whose source of energy comes from biogas, the result of a biodigestor responsible for the decomposition of manure from the dairy cattle. This study was done from the installation of a register of quantities for the purpose of recording and storing the information of the quantities influenced by the operation of the GD, and thus, analyze the Quality of the Electric Energy of this consumer and the generation of energy. To characterize the information, the manual of Procedures for the Distribution of Electric Energy in the National Electric System - PRODIST, prepared by the National Electric Energy Agency - ANEEL, will be taken as a parameter, which regulates and standardizes the technical activities related to the operation and performance of the systems of electricity distribution. At the end of this paper are presented the results regarding the analysis of the data provided through the registrar according to the allowed limits and their respective indicators.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Cenário do sistema elétrico com a Geração Distribuída. ... 18
Figura 2 - Perdas de energia no sistema elétrico. ... 24
Figura 3 - Comportamento do perfil de tensão em um ramal com e sem geração distribuída. ... 25
Figura 4 - Processo da formação do biogás. ... 33
Figura 5 - Funcionamento de um biodigestor. ... 36
Figura 6 - Biodigestor Modelo Indiano. ... 37
Figura 7 - Biodigestor Modelo Chinês ... 38
Figura 8 - Biodigestor Modelo da Marinha ... 39
Figura 9 - Faixas de Tensão em Relação a de Referência. ... 45
Figura 10 - Minigeração próximo a subestação. ... 60
Figura 11 - Biodigestor do Tipo da Marinha. ... 61
Figura 12 - Grupo Gerador. ... 62
Figura 13 - Relé de proteção HighPROTEC MRA4. ... 63
Figura 14 - Ligação do registrador em redes trifásica. ... 69
Figura 15 - Instalação do Registrador na entrada de energia do consumidor. ... 70
Figura 16 - Registrador de grandezas MARH-21. ... 71
Figura 17 - Conexão dos alicates sensores de corrente do MARH-21. ... 72
Figura 18 - Conexão dos garras de tensão do MARH-21. ... 73
Figura 19 - Parâmetros para registro no modo 20. ... 75
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Quantidade de GD de acordo com a fonte de energia. ... 21
Quadro 2 - Proteções mínimas em função da potência instalada. ... 42
Quadro 3 - Faixas aplicadas às tensões nominais inferiores a 1 kV. ... 46
Quadro 4 - Pontos de conexão em Tensão Nominal igual ou inferior a 1 kV (380/220). ... 46
Quadro 5 – Terminologia para o cálculo de distorções harmônicas. ... 48
Quadro 6 - Limites das distorções harmônicas totais (em % da tensão fundamental). ... 49
Quadro 7 - Limites para os desequilíbrios de tensão. ... 50
Quadro 8 - Limites para flutuação de tensão... 52
Quadro 9 - Níveis de Tensão de acordo com a carga instalada... 55
Quadro 10 – Proteção mínima de GD conectada em BT. ... 56
Quadro 11 - Classificação da Geração Distribuída de acordo com a carga instalada. ... 56
Quadro 12 - Proteção mínima de GD conectada em MT. ... 57
Quadro 13 - Carga da Unidade Consumidora. ... 58
Quadro 14 - Funções básicas dos relés da linha HighPROTEC. ... 64
Quadro 15 - Parametrização do Relé de Proteção. ... 65
Quadro 16 - Máximas distorções harmônicas de tensão das componentes – Fases A, B e C ... 82
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Crescimento da Geração Distribuída no Brasil. ... 20
Gráfico 2 - Previsão da capacidade instalada e energia gerada por GD. ... 22
Gráfico 3 - Compensação de reativos em um sistema fotovoltaico. ... 25
Gráfico 4 - Tensão RMS para as fases: A, B e C. ... 78
Gráfico 5 – Histograma das leituras validas. ... 78
Gráfico 6 - Comportamento do Fator de Potência. ... 80
Gráfico 7 - Fator de Potência X Potência gerada. ... 80
Gráfico 8 - Distorção Total de Tensão (DTT%) - Fase A. ... 81
Gráfico 9 - Distorção Total de Tensão (DTT%) - Fase B. ... 81
Gráfico 10- Distorção Total de Tensão (DTT%) - Fase C. ... 82
Gráfico 11 - Distorção Total de Corrente (DHTi) – Fase A. ... 83
Gráfico 12 - Distorção Total de Corrente (DHTi) – Fase B. ... 83
Gráfico 13 - Distorção Total de Corrente (DHTi) – Fase C. ... 84
Gráfico 14 - Desequilíbrio de tensão entre fases. ... 85
Gráfico 15 - Variação da Frequência. ... 85
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agencia Nacional de Energia Elétrica ANSI American National Standards Institute AWG American Wire Gauge
BT Baixa Tensão
CAA Condutor de Alumínio com Alma de Aço
CERILUZ Cooperativa Regional de Energia e Desenvolvimento Ijuí Ltda. CGH Centrais de geração hidrelétrica
COFINS Contribuição para Financiamento da Seguridade Social DHTi Distorção Harmônica Total de Corrente
DRP Duração Relativa da Transgressão para Tensão Precária DRC Duração Relativa da Transgressão para Tensão Crítica DTT Indicador de Distorção Harmônica Total de Tensão
DTTi Indicador de Distorção Harmônica Total de Tensão para componentes impares não múltiplas de 3
DTTp Indicador de Distorção Harmônica Total de Tensão para componentes pares não múltiplas de 3
DTT3 Indicador de Distorção Harmônica Total de Tensão para componentes múltiplas de 3
EPE Empresa de Pesquisa Energética EPC’s Equipamentos de Proteção Coletivos EPI’s Equipamentos de Proteção Individuais EOL Central geradora eólica
FD Fator de Desequilíbrio de Tensão
FECOERGS Federação das Cooperativas de Energia, Telefonia e Desenvolvimento Rural do Rio Grande do Sul
FP Fator de Potência
GD Geração Distribuída
ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IEC International Eletrotechnical Commission
IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética
MT Média Tensão
NR Norma Regulamentadora
OTD Orientação Técnica – Distribuição PIS Programa de Integração Social
Plt Indicador de Severidade de Cintilação de Longa Duração PRODIST Procedimento de Distribuição de Energia no Sistema Elétrico Pst Indicador de Severidade de Cintilação de Curta Duração QEE Qualidade de Energia Elétrica
RIC Regulamento de Instalações Consumidoras REN Resolução Normativa
RTC Relação de Transformação de Potencial RTP Relação de Transformação de Potencial SDAT Sistema de Distribuição de Alta Tensão SDBT Sistema de Distribuição de Baixa Tensão SDMT Sistema de Distribuição de Média Tensão TC’s Transformadores de Corrente
TR Tensão de Referência
UC Unidade Consumidora
UFV Central geradora fotovoltaica UTE Central geradora termelétrica
Vn Tensão Nominal
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 JUSTIFICATIVA ... 14 1.2 OBJETIVOS ... 16 1.2.1 Objetivo Geral ... 16 1.2.2 Objetivos Específicos ... 17 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 17 2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 18
2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NO BRASIL ... 19
2.2 VANTAGENS AO SISTEMA ELÉTRICO ... 22
2.2.1 Redução do Fornecimento Durante os Picos de Carga ... 22
2.2.2 Redução de Perdas no Sistema ... 23
2.2.3 Compensação de Reativos ... 24
2.2.4 Sobretensão ... 25
2.3 DESVANTAGENS AO SISTEMA ELÉTRICO ... 26
2.3.1 Equipamentos de Proteção da Rede de Distribuição ... 26
2.3.2 Ilhamento ... 27
2.3.3 Desequilíbrio de Tensão ... 28
2.3.4 Flutuação da Tensão e Frequência ... 28
2.3.5 Distorções Harmônicas... 29
2.3.6 Afundamentos de Tensão ... 29
2.3.7 Picos de tensão ... 30
2.3.8 Ruídos ... 30
2.4 BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL ... 32
2.4.1 Biodigestor ... 34
2.4.2 Classificação dos Biodigestores ... 36
2.4.2.1 Modelo Indiano ... 36
2.4.2.2 Modelo Chinês ... 37
2.4.2.3 Modelo da Marinha ... 38
3 NORMAS E REGULAMENTOS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 40
3.1 PROCEDIMENTOS DE DISTRIBUIÇÃO – PRODIST ... 40
3.1.1 PRODIST Módulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição ... 41
3.1.2.1 Tensão em Regime Permanente ... 44 3.1.2.2 Fator de Potência ... 47 3.1.2.3 Distorções Harmônicas ... 47 3.1.2.4 Desiquilíbrio de Tensão ... 50 3.1.2.5 Flutuação de Tensão ... 51 3.1.2.6 Variação de Frequência ... 52
3.1.2.7 Variação de Tensão de Curta Duração (VTCD) ... 53
3.1.2.8 Instrumentação e Metodologia de Medição ... 53
3.2 REQUISITOS TÉCNICOS PARA CONEXÃO DA MICRO E MINIGERAÇÃO –FECOERGS ... 55
3.2.1 Micro e Minigeração Distribuída em Baixa Tensão (BT). ... 55
3.2.2 Micro e Minigeração Distribuída em Média Tensão (MT). ... 56
4 RESULTADOS ... 58
4.1 DADOS DA UNIDADE CONSUMIDORA (UC) ... 58
4.2 SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ... 59
4.2.1 Grupo Gerador ... 61
4.2.2 Dispositivo de Proteção ... 62
4.2.3 Sistema de Proteção e Parametrização ... 62
4.3 MEDIÇÕES PARA A ANÁLISE DE QEE ... 66
4.3.1 Segurança ... 67
4.3.2 Equipamento Utilizado ... 68
4.3.3 Medição para Coleta de Dados ... 70
4.3.4 Software ANAWIN para a Programação de Dados ... 73
4.3.4.1 Programação dos Parâmetros no Registrador ... 74
4.4 ANÁLISE DOS DADOS COLETADOS ... 77
4.4.1 Indicadores de Tensão em Regime Permanente ... 77
4.4.2 Fator de Potência ... 79
4.4.3 Distorções Harmônicas... 81
4.4.4 Desequilíbrio de Tensão ... 84
4.4.5 Variação de Frequência ... 85
5 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 86
5.1 PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS ... 88
1 INTRODUÇÃO
Com o aumento do poder aquisitivo das pessoas, e a mudança de hábitos em busca de maior conforto em suas vidas, o aumento da demanda no setor elétrico aumentou de forma significativa, trazendo novos desafios no que se refere a geração de energia elétrica.
A saída mais clara e supostamente mais fácil para a seguinte situação é a construção de novas e grandes unidades geradoras. Estas são implementadas no sistema sobrecarregado, e como consequência o aumento do transporte e distribuição da energia que será comercializada.
A descoberta de novas tecnologias e o acesso mais fácil e viável das mesmas, colocou a geração de energia em um novo patamar de possibilidades. Uma dessas possibilidades é a inserção da geração distribuída, utilizando-se de fontes renováveis para a geração de energia. A GD contribuiria na amortização da demanda nas grandes unidades centralizadas de geração de energia e consequentemente nos investimentos em grandes linhas de transmissão e distribuição de energia, já que a geração distribuída está localizada próximas aos grandes centros de carga, trazendo maior confiabilidade e suporte para o sistema.
Porém a implementação da Geração Distribuída (GD), também traz certos desafios para o sistema em que o mesmo está conectado. A GD requer maior complexidade no planejamento e na operação do sistema elétrico, procedimentos e na realização de manutenções, inclusive agindo de forma ativa e direta nas medidas de segurança a serem tomadas e na coordenação das atividades.
A Geração Distribuída pode provocar fluxos de potência inversos, levando a incompatibilidades aos atuais praticas do sistema atual, dimensionados a fluxo unidirecional. Uma vez que a estrutura topológica da rede elétrica mais comum é a radial, esta é o tipo rede que maior estudo necessita quanto ao controle exigido. O controle da regulação de tensão é geralmente baseado em fluxos de energia, portanto, um inadequado posicionamento, dimensionamento e funcionamento da unidade de GD pode induzir grandes flutuações da tensão na rede (subtensões ou sobretensões), causando enormes variações no perfil de tensão. (MATOS, CATALAO, 2013).
Um dos tipos de GD, está a geração de energia elétrica proveniente da queima de biogás, geradas através de biodigestores que transformam matéria orgânica vegetal ou animal em liberação de biogás. E portanto deseja-se investigar e analisar
solucionar futuros desafios que podem aparecer com o grande acréscimo de GD nos sistema de distribuição.
1.1 JUSTIFICATIVA
Apesar da constante busca de maior eficiência energética em equipamentos eletroeletrônicos, e maior produtividade com baixo consumo de energia, a demanda e o consumo de energia elétrica, cresce ano após ano em todo o sistema elétrico brasileiro. Reflexo do desenvolvimento econômico e social, busca por maior conforto e qualidade de vida da sociedade, atingindo de forma direta as grandes unidades geradoras de energia elétrica.
Segundo Classen, Lier e Starms (1999) citado por Pratti (2010), a produção de energia elétrica através da queima de combustíveis fósseis, considerada a mais poluente, gera resíduos como óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio, dióxido de carbono, metano, monóxido de carbono, dentre outros. Já, usinas hidroelétricas necessitam da formação de grandes lagos que interferem no fluxo dos rios, realocação da população, configurando muitas vezes em problemas sociais e entraves judiciais. No Brasil, a maior parte da energia gerada é proveniente de usinas hidrelétricas. Mas a dependência de chuvas, faz com que os períodos de estiagem acabam diminuindo os níveis dos reservatórios das hidrelétricas. Consequentemente reflete em uma queda significativa da capacidade das usinas, então para suprir o fornecimento de energia, a principal saída é a utilização de usinas termelétricas, aumentando a queima de combustíveis fosseis e o custo da energia paga pelos consumidores.
Uma boa alternativa para o consumidor e para as distribuidoras de energia surgiu a Geração Distribuída, que caracteriza-se principalmente, pelo baixo impacto ambiental, redução de perdas de energia, a redução no carregamento de redes e menor tempo de implantação (ANEEL,2011).
Segundo a Instituição Nacional de Eficiência Energética (INEE), “geração distribuída é uma expressão usada para designar a geração elétrica realizada junto ou próxima do(s) consumidor(es) independente da potência, tecnologia e fonte de energia”. A principal característica da geração distribuída e o fato dela não estar
centralizada em apenas alguns pontos, mas sim, como o nome já diz, ela está conectada ao longo de todo o sistema ou a rede do consumidor.
Uma das fontes renováveis utilizada para gerar energia em uma GD, é através da queima de biogás. Um gás inflamável composto por metano e dióxido de carbono, resultado de um sistema chamado biodigestor, que tem como função de degradar a matéria orgânica animal ou vegetal para produzir e liberar o biogás, alimentando um grupo motor-gerador, gerando energia elétrica.
Como a GD, tem como resultado principal a injeção de potência no sistema de distribuição, isso acaba afetando de certa forma positivamente, pois como já mencionado, a GD possui muitas vantagens que fazem ser muito atrativa aos consumidores e distribuidoras de distribuição de energia. Quando estas pequenas unidades geradoras de energia elétrica começarem a representar uma parcela considerada significativa de geração de energia em uma região, torna-se necessário, do ponto de vista das distribuidoras, pois diferem da geração centralizada, ou seja, são diferentes do cenário atual. Portanto, existe uma grande necessidade de se analisar o funcionamento da GD sobre o sistema de distribuição (TREVISAN, 2011).
Com o passar do tempo essas pequenas unidades geradoras passarão a representar um significativo aumento da energia gerada, trazendo efeitos notórios no sistema de distribuição e, portanto, deverá ser adicionado aos estudos das distribuidoras de energia. Caso a instalação da GD, é mal projetada, dimensionada ou executada de forma incorreta, irão aparecer níveis de grandezas elétricas que podem influenciar a operação de equipamentos elétricos, podendo encurtar sua vida útil ou, até mesmo, comprometer seu tempo de funcionamento.
Segundo Thong, Driesen e Belmans (2005) citado por Trevisan (2011), a conexão da GD em sistemas de distribuição pode impactar diversos parâmetros destes sistemas. Exemplos como, o fluxo de potência (que agora passa a ser bidirecional), o perfil de tensão, a estabilidade da tensão, os sistemas de proteção e, por fim, como consequência destas mudanças, a qualidade da energia elétrica.
Como forma de garantir um sistema elétrico que disponha de confiabilidade, continuidade e qualidade, a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), criou através dos Procedimentos de Distribuição de Energia no Sistema Elétrico – PRODIST, o seu Modulo 8 – Qualidade de Energia Elétrica. Definindo e estabelecendo os procedimentos relativos a qualidade de energia, englobando as
qualidades do produto, serviço, e do tratamento de reclamações. Para a qualidade do produto, foco do presente trabalho, o PRODIST – Modulo 8, acaba definindo e estabelecendo limites de fenômenos elétricos fundamentais para um bom funcionamento da rede de distribuição e principalmente das instalações e equipamentos do consumidor.
Em relação a Geração Distribuída, a ANEEL, definiu através do PRODIST- Módulo 3- Acesso ao Sistema de Distribuição, que descreve diversos procedimentos de acesso, compreendendo a conexão e o uso, ao sistema de distribuição. Entre eles está o acesso de micro e minigeração distribuída participante do sistema de compensação de Energia Elétrica ao sistema de distribuição, seus critérios técnicos, operacionais e de projeto. Com a finalidade de garantir com que o sistema de GD não comprometa de forma demasiada a rede de distribuição e a qualidade de energia perante o próprio proprietário da GD e seus consumidores mais próximos. A instalação da mesma também deve atuar, garantindo que não comprometa a segurança dos trabalhadores que fazem a manutenção da rede de distribuição.
Ao contrário das centrais de geração de energia de grande ou pequeno porte controlada por empresas e distribuidoras, a geração distribuída não possui um sistema de monitoramento e/ou controle em tempo real da geração de energia. Portanto através de dados coletados em uma GD, proveniente da queima de biogás, instalada em uma propriedade no interior da cidade de Catuípe – RS, pretende-se analisar e estudar o comportamento da mesma no ponto de conexão com a rede de baixa tensão da distribuidora de energia. Com base nos Procedimentos de Distribuição analisar se as grandezas influenciadas pela GD permanecerão dentro dos limites aceitáveis de qualidade de energia, e seus respectivos indicadores, a fim de identificar os possíveis impactos que a geração distribuída implantada terá na rede de distribuição de baixa tensão.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Apesar do Brasil atualmente possuir um cenário diferente dos países desenvolvidos, o mercado da geração distribuída passara a estar presente no sistema
de todo o país num futuro próximo. Portanto o presente trabalho tem como objetivo geral, realizar o estudo da implantação de um biodigestor atuando como minigeração distribuída de energia elétrica, em uma propriedade rural.
1.2.2 Objetivos Específicos
Pesquisar sobre a inserção da geração distribuída no Brasil, seu crescimento, normas e o futuro do mercado no país;
Identificar os diversos tipos de biodigestores que possuam como principal função a geração de biogás, quanto as suas funcionalidades e construção; Levantar as normas e determinações que regem sobre o sistema de
distribuição, principalmente no que diz respeito a qualidade de energia e a geração distribuída;
Coletar dados de uma geração distribuída que possui como fonte de energia o biogás, dados de projeto e práticos do seu funcionamento;
Estudar o impacto da geração distribuída na rede de distribuição de baixa tensão, e analisar se o mesmo está nos níveis considerados aceitáveis segundo o PRODIST – Módulo 8.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho será dividido em 5 capítulos, conforme descrito baixo:
O primeiro capítulo será utilizado para apresentar o tema, introduzi-lo e apresentar as justificativas e os objetivos a serem alcançados no trabalho.
O segundo capítulo, inicia-se o processo de fundamentação teórica, são apresentados as definições acerca da Geração Distribuída, suas características, conceitos do biogás, biodigestores e as principais tecnologias do segmento.
O terceiro capítulo serão apresentados as normas e regulamentações que atuam sobre a Geração Distribuída.
O quarto capítulo são apresentado os resultados da coleta de informações da Unidade Consumidora (UC) e do sistema de geração de energia. Além dos resultados da coleta de informações e seus respectivos indicadores.
No quinto e último capítulo, são apresentadas as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.
2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Segundo a Instituição Nacional de Eficiência Energética (INEE), “geração distribuída é uma expressão usada para designar a geração elétrica realizada junto ou próxima do(s) consumidor(es) independente da potência, tecnologia e fonte de energia”.
Os estímulos à geração distribuída se justificam pelos inúmeros benefícios que essa modalidade pode proporcionar para o sistema elétrico brasileiro, os quais pode se destacar a ampliação dos prazos em investimentos na expansão dos sistemas de distribuição e transmissão, o baixo impacto ambiental, a melhoria do nível de tensão da rede no período de pesada carga, a diversificação da matriz energética, o aumento da qualidade de energia e a minimização das perdas (ANEEL, 2015).
A principal característica da geração distribuída e o fato dela não estar centralizada em apenas alguns pontos, mas sim, como o nome já diz, ela está conectada ao longo de todo o sistema elétrico ou a rede do consumidor. A Figura 1, mostrada a seguir nos mostra de forma mais clara o, as gerações de energia de grande porte, conectadas por grandes linhas de transmissão, por estarem distantes aos centros de carga, enquanto a geração distribuída está conectada próximo aos centros de consumidores, diminuindo perdas associadas ao transporte de energia.
Figura 1 - Cenário do sistema elétrico com a Geração Distribuída.
2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NO BRASIL
As diversas formas do uso de energia está completamente ligado ao desenvolvimento da humanidade. Para que esse desenvolvimento aconteça significa, entre outras coisas, garantir que as fontes de energia estejam disponíveis em níveis suficientes e, de igual forma, acessíveis para garantir a demanda de energia que sustenta o desenvolvimento da sociedade moderna (DIAS; BORTNI; HADDAD, 2005). Com a recente chegada da geração distribuída no Brasil, através de novas tecnologias e de certa forma fácil e baixo custo de implementação, a inserção deste tipo de geração de energia se mostra um ramo bastante promissor e de alto benefícios ao sistema elétrico brasileiro. Entre muitos fatores que ajudam para que a GD seja bastante difundida no cenário brasileiro, é o fato delas reduzirem o impacto ambiental, minimizar as perdas nas linhas, reduzir o carregamento das redes, e na redução de investimentos em expansão do sistema de transmissão a curto prazo, ajudando no planejamento de expansão das distribuidoras de energia.
Desde 17 de abril de 2012, quando entrou em vigor a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012, o consumidor brasileiro pode gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração qualificada e inclusive fornecer o excedente para a rede de distribuição de sua localidade. Trata-se da micro e da minigeração distribuídas de energia elétrica, inovações que podem aliar economia financeira, consciência socioambiental e autossustentabilidade (ANEEL, 2015).
Conforme disposto nesses regulamentos, a micro e a minigeração distribuída consistem na produção de energia elétrica a partir de pequenas centrais geradoras que utilizam fontes renováveis de energia elétrica ou cogeração qualificada, conectadas à rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. Para efeitos de diferenciação, a microgeração distribuída refere-se a uma central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 quilowatts (kW), enquanto que a minigeração distribuída diz respeito às centrais geradoras com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 megawatt (MW), para a fonte hídrica, ou 5 MW para as demais fontes (ANEEL, 2015).
Apesar do Brasil possuir um excelente potencial hídrico, e com cerca de 60% da energia gerada por hidrelétricas. A geração distribuída possui um grande crescimento no mercado brasileiro, uma evidencia disso, é o crescimento no final do
ano de 2015 em relação ao final de 2017, por exemplo, onde houve um crescimento significativo com cerca de 7 vezes mais novas GD em todo território brasileiro, passando de 1675 para 11824 de unidades geradoras de energia através de fontes renováveis. O Gráfico 1 a seguir, mostra o crescimento da GD no sistema brasileiro, que deve-se muito ao aprimoramento da REN nº 482/2012, em 2015, que que culminou com a publicação da Resolução Normativa - REN nº 687/2015, a qual revisou a REN nº 482/2012 e a seção 3.7 do Módulo 3 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, tornando o processo mais acelerado e ampliando o acesso da GD a um maior número de unidades consumidoras, evidenciando um acréscimo considerável do ramo. Dentre as mudanças destacam-se (EPE,2017):
i) Ampliação das possibilidades de negócios em geração distribuída, permitindo a adoção por uma maior parcela da população;
ii) Isenções tributárias, de PIS/COFINS e ICMS (em 23 unidades federativas) sobre a energia compensada pela unidade consumidora, o que aumenta a viabilidade financeira do investimento;
iii) Reajuste das tarifas de eletricidade acima da inflação nos últimos dois anos;
iv) Redução no preço dos sistemas fotovoltaicos. Gráfico 1 - Crescimento da Geração Distribuída no Brasil.
Atualmente, segundos dados da ANEEL o Brasil possui cerca de 39.386 unidades consumidoras com Geração Distribuída, totalizando uma potência instalada de 476.505,47 kW destinada a esta atividade, das mais diferentes tipos de fontes utilizadas. A Quadro 1 a seguir exibe a quantidade de unidades consumidoras com GD, onde a mesma mostra também a participação de cada tipo de fonte utilizada, onde:
CGH: Centrais de geração hidrelétrica EOL: Central geradora eólica
UFV: Central geradora fotovoltaica UTE: Central geradora termelétrica
No que se refere as UTE’s, a grande maioria é proveniente de biogás, com mais de 100 unidades.
Quadro 1 - Quantidade de GD de acordo com a fonte de energia.
Fonte: ANEEL (2018).
O futuro do mercado de Geração Distribuída no Brasil também é muito promissor, uma recente projeção elaborada pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), através do Plano Decenal de Expansão de Energia 2026, que indica o crescimento da GD no período de 2016-2026. O Gráfico 2 a seguir, exibe o resultado da capacidade instalada e de energia a partir da geração através de sistema fotovoltaico e de biogás, principais fontes de geração de energia em sistemas de GD.
Gráfico 2 - Previsão da capacidade instalada e energia gerada por GD.
Fonte: Empresa de Pesquisa Energética (EPE) (2017).
Logo, o aumento do consumo de energia elétrica no pais, a busca por maior qualidade de energia aos centros de carga, a busca por sistemas mais eficientes com menos impactos ambientais e pelo fato da criação do Sistema de Compensação de Energia Elétrica, tem colocado o sistema de geração distribuída como uma boa alternativa às tradicionais soluções, e a um bom retorno financeiro ao consumidor.
2.2 VANTAGENS AO SISTEMA ELÉTRICO
Como o ramo da geração distribuída cresce de forma acelerada, o mesmo traz consigo grandes benefícios à operação e planejamento do sistema, e também para os consumidores. Essa seção tem como objetivo analisar os impactos positivos sob o aspecto técnico da inserção da Geração Distribuída em redes de distribuição e transmissão, dos mais diferentes casos, e de acordo com o sistema de energia atual.
2.2.1 Redução do Fornecimento Durante os Picos de Carga
As redes de distribuição e transmissão de energia e seus equipamentos a eles conectados, são dimensionados para que operem tanto em regimes considerados normais como em períodos de carga pesada, que requerem maior demanda do
sistema. Apesar que o sistema deve ser dimensionado para situações extremas, o desenvolvimento do mesmo não acompanha o crescimento da demanda por partes dos seus consumidores. Nos momentos em que a demanda exigida por parte dos consumidores extrapolarem os limites das redes, os equipamentos e todo o sistema estará sujeito a falhas, podendo causar interrupções não desejadas de energia.
Para evitar este tipo de cenário desfavorável de interrupções por picos de carga, uma das possibilidades, são os sistemas de Geração Distribuída. A diminuição dos períodos de picos de carga, acaba diminuindo o desgaste dos equipamentos de todo o sistema elétrico, como transformadores, reguladores de tensão, condutores, entre outros. Deste modo a Geração Distribuída acaba fornecendo energia de forma alternativa durante estes casos extremos, assim, diminuindo os períodos de pico de carga, aumentando também a vida útil dos diversos equipamentos já mencionados.
2.2.2 Redução de Perdas no Sistema
Como as diversas gerações distribuídas serão instaladas próximas aos centros de carga, as perdas de energia no setor de transmissão são anuladas, diferente do sistema de geração tradicional, pois não percorrem a extensão de grandes linhas de transmissão. Como este tipo de geração não necessita das linhas de transmissão, ela contribui com a redução de perdas causadas pelas grandes usinas, pois acaba diminuindo o fluxo de potência, por estarem conectadas ao final das linhas.
A Figura 2 a seguir, demostra um exemplo de perdas que a energia gerada sofre até chegar ao consumidor final. Segundo o exemplo, as perdas estão divididas pela parte de transmissão e de distribuição, onde a mesma chega a ser de 17%, incluindo perdas não técnicas (erros de medição, unidades consumidoras onde não há sistema de medição e furtos de energia) e perdas técnicas (perdas por efeito Joule, perdas nos núcleos dos transformadores e perdas dielétricas). A inserção no sistema da geração distribuída em grande escala, mudaria este cenário de forma favorável, diminuindo as perdas em todo o sistema (ANEEL, 2018).
Figura 2 - Perdas de energia no sistema elétrico.
Fonte: ANEEL (2018). 2.2.3 Compensação de Reativos
O fator de potência de uma determinada unidade consumidora é a relação entre potência ativa e aparente, podendo variar de zero a um (melhor caso). Quando o fator de potência for diferente de um, significa que a tensão e a corrente estão defasadas, refletindo na rede de distribuição e causando perdas para a distribuidora (NARUTO, 2017).
Assim, para evitar perdas desnecessárias para as distribuidoras de energia, a ANEEL arbitrou um valor mínimo para o fator de potência à 0,92 indutivo ou capacitivo. A Gráfico 3, apresenta o consumo de potência ativa e o excedente de potência reativa de uma unidade consumidora com um sistema fotovoltaico com capacidade para compensar o consumo de reativos, corrigindo o fator de potência, e colocando-o em 0,92 fixos durante o dia, e levando a uma redução do fluxo de reativos na rede da distribuidora.
Gráfico 3 - Compensação de reativos em um sistema fotovoltaico.
Fonte: Pinto, Ziles, Bet (2012). 2.2.4 Sobretensão
A qualidade da energia comercializada e distribuída pela distribuidora a seus clientes é algo muito exigida e fiscalizada constantemente pela ANEEL, e através dos Procedimentos de Distribuição da Energia Elétrica referente a Qualidade de Energia Elétrica- Modulo 8, é possível classificar as faixas de tensão em adequada, precária e critica de acordo com a tensão nos pontos de entrega ao consumidor, para que os mesmos não sejam lesados pela má qualidade do produto e seus serviços (NARUTO,2017).
Como existem consumidores localizados muito distante da geração convencionais e aos grandes centros de carga, eles são mais suscetíveis a sofrerem pela queda de tensão. Assim a geração distribuída vem como uma solução para estes casos de energia de má qualidade. Como pode ser observado na Figura 3, a conexão de uma GD pode regularizar a tensão abaixo dos níveis aceitáveis, com relação a tensão nominal de fornecimento.
Figura 3 - Comportamento do perfil de tensão em um ramal com e sem geração distribuída.
2.3 DESVANTAGENS AO SISTEMA ELÉTRICO
Como o sistema atual de energia elétrica está desenvolvida de forma com que haja apenas uma direção do fluxo de potência, ou seja, da geração ao ponto final nos consumidores, o mesmo não está preparado para fluxos inversos de potência. O controle da geração de energia em usinas centralizadas na maioria dos casos é feita a partir de seus controladores, diferente da geração de energia que não possui controle em tempo real, assim torna-se muito difícil mensurar o comportamento da GD, e sua potência injetada na rede.
Apesar da maioria das gerações distribuídas estarem conectadas nos ramais da rede de distribuição, ou seja, próximos aos demais consumidores, há impactos que podem ser prejudiciais e refletir em suas proximidades e em outros setores do sistema de potência.
Esta seção tem como principal objetivo abordar as desvantagens técnicas, onde é de extrema importância suas analises, para que a inserção da geração distribuída não prejudique de forma descontrolada a rede elétrica convencional.
2.3.1 Equipamentos de Proteção da Rede de Distribuição
Com o aumento do número de geradores conectados à rede de distribuição, consequentemente a operação do sistema ficara mais complexa, devido ao fluxo bidirecional de energia, já que o sistema convencional é dimensionado para que o fluxo de potência possua apenas um sentido(fonte-carga).
Este fluxo bidirecional de energia pode acarretar em problemas em equipamentos de proteção do sistema, pois os mesmos não estão projetados para este tipo de situação, podendo trazer prejuízos na estabilidade e controle do sistema. Outro fator fundamental para um bom sistema de proteção atingido com a inserção da geração distribuída é a seletividade do sistema, responsável por garantir que apenas o circuito onde aconteceu a falha a ser desligada, não prejudicando outras redes conectadas ao sistema, pois de acordo com o sentido da corrente de curto circuito, os equipamentos podem não funcionar de forma seletiva, não reconhecendo o posicionamento da falta sofrida no sistema.
Já a coordenação do sistema, responsável pelo dimensionamento dos dispositivos de proteção, para que os equipamentos mais próximos ao defeito atuam primeiro em relação aos mais distantes, garantindo que os equipamentos e consumidores anteriores não sofram impactos pelo defeito.
Com a geração distribuída inserida e com variação na potência gerada, os níveis de curto circuitos, antes conhecidos, agora podem variar de acordo com a quantidade de potência gerada, pintos em atuação e localização em que estão em operação. As dificuldades em controle de proteção do sistema pode deixar o sistema vulnerável, interferindo de forma negativa na confiabilidade e estabilidade do sistema, já que um erro no dimensionamento e situações desfavoráveis podem afetar um número maior de consumidores do que planejado.
2.3.2 Ilhamento
O ilhamento pode ser definido quando uma parte da rede de distribuição, que possui geração distribuída, permaneça energizada pela própria geração, mesmo após estar isolada da rede elétrica. Para que o ilhamento aconteça as duas
condições a seguir devem acontecer (DE ABREU, DE OLIVEIRA, GUERRA; 2010): Equilíbrio entre geração e carga no momento em que a alimentação
principal desligar; e
A proteção do conversor deve falhar na falta de energia da rede principal. O ilhamento pode apresenta os seguintes riscos:
Acidentes com os trabalhadores da distribuidora durante as atividades de manutenção da rede;
Danos aos equipamentos dos consumidores, pois a tensão e frequência não serão controlados, podendo chegar a números foras dos padrões mínimos e máximos de funcionamento;
Interferência na reenergização da rede da distribuidora, podendo danificar ou desarmar equipamentos.
No Brasil, o ilhamento não é permitido pela ANEEL, devido aos riscos mencionados, por isso uma forma de prevenção é a detecção de ausência de tensão a partir dos conversores, desligando a GD.
2.3.3 Desequilíbrio de Tensão
As tensões geradas em sistemas trifásicos são senoidais, possuem mesma magnitude e defasadas em 120º entre as mesmas. Contudo, estas características podem sofrer mudanças no sistema d distribuição e nas instalações dos consumidores. A principal causa para o desequilíbrio de tensão é o causada pelo desiquilíbrio das cargas monofásicas dos consumidores, causando alteração na magnitude da tensão e muitas vezes em sua defasagem em relação a outra (MELLO, 2016).
Como a maioria dos sistemas de geração distribuída são conectadas a apenas uma fase na rede de baixa tensão, é eminente o impacto provocado pelo desbalanço das correntes, consequentemente da tensão, pois a mesma não faz o controle da tensão, fornecendo somente potência a rede de distribuição (TREVISAN, 2011).
O desequilíbrio da tensão acaba surgindo a circulação de componentes de sequência negativa, causando perdas adicionais a rede, diminuição da capacidade de transmissão, aquecimento adicional de equipamentos e principalmente causando problemas a motores de indução, reduzindo sua eficiência, aumentando sua temperatura, reduzindo o conjugado disponível e sua vida útil (MELLO, 2016).
2.3.4 Flutuação da Tensão e Frequência
Como a geração distribuída é refém e depende muito das condições climáticas, como é o caso da geração fotovoltaica e eólica as pequenas alterações e, suas fontes de energia são suscetíveis a variações, a tensão e a frequência podem ser atingidas, sofrendo variações em seu ponto de consumo.
Um exemplo desses casos acontece quando a carga é leve e a geração é pesada, atingindo diretamente a qualidade da energia fornecida para a carga e a outros consumidores do mesmo circuito, o mesmo acontece ao contrário, ou seja, quando a carga é pesada e a geração é pesada.
Essas variações de tensão e frequência, mesmo que por um curto período fora dos limites exigidos, podem comprometer equipamentos sensíveis a este tipo de variação.
A diferença entre a oferta e a demanda de energia que se apresenta aos sistemas de geração dependentes de fontes intermitentes (radiação ou vento) pode criar falta ou excesso de potência e provocar variações da tensão e da frequência, podendo resultados em danos aos equipamentos conectados à rede e até mesmo ocasionando riscos mais severos como cortes de carga ou de geração (NARUTO,2017).
2.3.5 Distorções Harmônicas
Distorções harmônicas são deformações na forma de onda original (fundamental) da rede, causada por cargas não-lineares. Na geração distribuída as distorções harmônicas são causadas, especialmente pelas gerações fotovoltaicas e eólicas que utilizam inversores, que são fontes de alimentação chaveadas responsáveis por transformar a corrente gerada continua (CC) em corrente alterada(CA).
A presença de distorções harmônicas fora dos níveis considerados aceitáveis na rede de distribuição acaba comprometendo a qualidade de energia, atingindo equipamentos que assumem a existência de uma alimentação senoidal, causando perdas, aquecimento, baixa eficiência, entre outros, em motores elétricos, transformadores, cabos de alimentação, capacitores, equipamentos eletrônicos, etc.
2.3.6 Afundamentos de Tensão
Como o sistema de distribuição é muito complexo, e sobretudo dado pelas diferentes tipos de cargas e energia, é comum que haja perturbações quanto aos níveis de tensão fornecidos. E para que esses diferentes tipos de equipamentos e maquinas funcionam de forma correta é necessário manter os níveis de tensão adequados.
Segundo Bollen (2000 apud SILVA, 2014), um dos fenômenos que acontece com maior frequência na rede elétrica são os afundamentos de tensão, que consistem na violação de um valor considerado mínimo de tensão em relação a de referência. Tal fenômeno pode ser resultado de um curtos-circuitos, sobre cargas, partidas de motores, etc.
De acordo com Theon, Driesen, Belmans (2005), conforme citado por Trevisan (2011), “afundamentos de tensão podem ocorrer devido a chaveamentos na rede, e também, durante o ligamento de uma fonte de GD, fora da velocidade síncrona.”
Os afundamentos de tensão podem levar a um mau funcionamento dos sistemas de proteção da GD, o que consequentemente pode interromper o funcionamento da mesma. Além de que, um mau funcionamento de chaves e relés acabam agravando o fenômeno.
2.3.7 Picos de tensão
Com a inserção de sistemas de geração distribuída em locais distantes, os operadores do sistema e as distribuidoras, não possuem o controle e o monitoramento do despacho de potência na rede da distribuidora, podendo assim, colaborar de forma negativa em aumentos súbitos de tensão, mesmo que por um curto período.
Manobras de linhas e chaveamentos de banco de capacitores, responsáveis pela correção do fator de potência, e desligamentos de alguns tipos de cargas são alguns dos responsáveis por esses picos de tensão. Este fenômeno pode passar muitas vezes despercebidos, mas dependendo de sua intensidade e período, pode causar consequências graves, como a completa queima de equipamentos e destruição de isoladores.
2.3.8 Ruídos
São interferências na rede elétrica causada por emissões eletromagnéticas, contendo uma larga faixa espectral com frequência menores de 200 kHz, que se somam ao sinal elétrico alterando suas características.
Em sistemas de potência, os ruídos podem ser causados por equipamentos de eletrônica de potência, circuitos de controle, equipamentos a arco, linhas de transmissão, lâmpadas fluorescentes e até mesmo em contatos defeituosos, etc. Resumidamente, os ruídos consistem em distorções indesejadas no sinal elétrico que não são classificados como distorção harmônica ou transitório (ARRUDA, 2013). Dificilmente causam problemas mais graves, podendo causar pequenos impactos em equipamentos sensíveis.
No caso da geração distribuída, ruídos podem ser causados por equipamentos de eletrônica de potência e até mesmo por conta de um aterramento improprio de algum componente (TREVISAN,2011).
2.4 BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL
O biogás é a mistura composta em maiores proporções por dióxido de carbono (CO2) e metano(CH4), resultado por meio da ação de bactérias fermentadoras em materiais orgânicos. É um gás altamente inflamável produzido a partir da decomposição de matéria orgânica, porem são necessários diferentes grupos de microrganismos, que junto com alguns fatores, como, pH, temperatura e o tipo de substrato, influenciam na produção e composição do biogás resultante.
A matéria orgânica, proveniente da agricultura, como resíduos de atividades agrícolas e os dejetos de suínos, bovinos, aves, ovinos e caprinos, são de grande interesse e possuem um grande potencial para a produção de biogás. É importante que todos os resíduos descartados diariamente nas propriedades sejam reaproveitados pelo processo de digestão anaeróbia para que seja gerado o biogás.
O biogás é composto basicamente por: metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e gás sulfídrico (H2S). Como 70% do biogás é composto de CH4, tem-se que este pode fornecer maior potencial de queima e, com isso, maior concentração de calor, havendo maior geração de eletricidade. Os demais gases, encontrados em menores teores, são eliminados principalmente por processos de queima (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008).
Contudo, o biogás só se torna combustível eficiente quando o teor de metano for superior ao de CO2. É uma fonte de energia de múltipla utilização: em aquecedor de água, geladeiras, fogão, calefação, iluminação, veículos de grande e pequeno porte, grupos geradores, embarcações, etc.
Para que aconteça a conversão da matéria orgânica em gases, a digestão anaeróbica deve passar por algumas etapas, demonstradas na Figura 4, a seguir:
Figura 4 - Processo da formação do biogás.
Fonte: Karlsson (2014).
A hidrolise é responsável pela quebra do material orgânico em moléculas menores, agilizando o processo e melhorando a eficiência com que os microrganismos agem no material orgânico, formando aminoácidos, hidratos de carbono em açúcares simples e álcoois e graxas em ácidos graxos. A fermentação é a segunda etapa do processo, e assim como a anterior, também quebra as moléculas em partes menores, mas agora a mesma é feita através de ácidos formados por meio das reações, e dividem-se em ácidos orgânicos, álcoois e amoníaco, além de hidrogênio e dióxido de carbono. A oxidação anaeróbica, também conhecida como acetogênese, converte o material das etapas anteriores em ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono. A última etapa é a formação do metano, conhecida também como metanogênese, onde acontece a formação do produto mais importante e o objetivo final do processo, que para sua formação necessita de ácido acético, CO2 e alguns produtos resultantes das etapas anteriores, porém, os microrganismos atuantes nesta etapa são muito mais sensíveis do que as anteriores, por isso, para que aconteça uma maior rentabilidade de gás metano, é necessária excelentes condições de pH e substancias toxicas (KARLSSON, 2014).
O metano é um gás muito antidetonante, portanto, capaz de suportar nos motores uma relação volumétrica bem mais elevada do que as melhores gasolinas. Facilmente inflamável produz uma chama pouco visível, e no caso de vazamento, a tendência é escapar para cima por ser menos denso que o ar (FELTRE, 1996).
Na geração de eletricidade a partir do biogás, ocorre a conversão da energia química do gás em energia mecânica por meio de um processo controlado de combustão; essa energia mecânica ativa um gerador que produz energia elétrica. O biogás também pode ser usado em caldeiras por meio de sua queima direta para a cogeração de energia (ECYCLE, 2007).
Atualmente um recurso bastante utilizado para geração de energia é o gás natural, porem diferente do biogás, o mesmo é considerado um combustível fóssil, pois resulta da decomposição anaeróbica da matéria orgânica armazenada a milhões de anos no subsolo de rochas porosas, fundos de lagos e mares. Apesar da formação do biogás e gás natural, serem feitos por meio da decomposição anaeróbica da matéria, a diferença está na liberação do carbono para a atmosfera. Na queima do gás natural o carbono retorna para seu ciclo na atmosfera, enquanto a conversão do material orgânico em biogás, não há liberação adicional de dióxido de carbono, mas sim, o aproveitamento do potencial de energia armazenado no material orgânico (KARLSSON, 2014).
2.4.1 Biodigestor
Um biodigestor é basicamente um compartimento que acelera e fornece condições adequadas para que as bactérias aceleram o processamento da decomposição de matéria orgânica (biomassa) de forma anaeróbica, isto é, sem a presença de ar. Como resultado deste processo ocorre a liberação de biofertilizante e biogás.
O projeto de um biodigestor deve se levar em conta os cuidados para se evitar a contaminação do solo e da água com um sistema bem projetado de revestimento do solo onde o efluente estará em contato, seja no interior do próprio biodigestor, das caixas de recepção e distribuição dos dejetos, ou das lagoas que servem como depósito do biofertilizante (SAKA, 2016).
A fonte de energia, chamada biomassa, é considerada qualquer matéria orgânica que possa ser convertida em energia, seja elétrica, mecânica ou térmica. Classificada como uma fonte renovável de energia, pode ser considerada sustentável, pois fornece benefícios em relação as emissões de CO2 ao substituir combustíveis fosseis como fonte de energia. A biomassa é uma matéria orgânica, morta ou viva, existente nos organismos (animais ou vegetais) de uma determinada comunidade, a
qual pode ser recuperada através dos resíduos florestais, agrícolas, pecuários e até mesmo urbanos, podendo ser-lhe dadas algumas utilizações úteis, entre as quais a fertilização dos solos para agricultura ou a produção de energia primária (GEBLER; PALHARES, 2007).
Um dos cenários possíveis para um biodigestor está o uso em propriedades rurais, onde os mesmos possuem criações de bovinos ou suínos, e até mesmo na bacia leiteira. O biodigestor é utilizado para o tratamento dos resíduos orgânicos dos animais (dejetos) e vegetais (restos de alimentos).
Além do biogás como produto resultante de um biodigestor, os resíduos da biodigestão também podem ser utilizados como fertilizantes agrícola, pois possuem um alto teor de nitrogênio e demais nutrientes após passarem pelo processo, devido à perda de carbono, original do material. Como o material já se encontra em um estado avançado de decomposição, o mesmo se torna mais eficaz, pois facilita a absorção dos nutrientes pelo solo e as plantas que forem aplicadas.
A Figura 5, demonstra o funcionamento básico de um biodigestor como matéria prima os dejetos animais. São basicamente compostas por quatro etapas:
1- Resíduos orgânicos dos animais(dejetos) e/ou restos de alimentos são misturados com agua no alimentador do biodigestor;
2- Dentro do biodigestor ocorre a ação das bactérias em decompor a matéria orgânica, transformando em biogás e fertilizante;
3- Saída do biogás, composta em sua maioria por metano, que pode ser encanado para alimentar um gerador ou aquecedor;
Figura 5 - Funcionamento de um biodigestor.
Fonte: Wikipédia (2007). 2.4.2 Classificação dos Biodigestores
Os biodigestores convencionais podem ser divididos como contínuo ou intermitente. No primeiro caso, o abastecimento de biomassa é diário, com descarga proporcional à entrada de biomassa, modelos de biodigestores que seguem este princípio é o modelo chinês, indiano e o modelo da marinha. Já no intermitente, também conhecido como batelada, utiliza-se a capacidade máxima de armazenamento de biomassa, retendo-a até a completa biodigestão. Em seguida, são retirados os restos da digestão e realiza-se uma nova recarga.
2.4.2.1 Modelo Indiano
O modelo indiano caracteriza-se por possuir uma campânula como gasômetro, a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação, ou em um selo d’água externo, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras. A parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da câmara de fermentação. O modelo indiano possui pressão de operação constante, ou seja, à medida que o volume de gás produzido não é consumido de imediato, o gasômetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a pressão no interior deste constante. O fato de o gasômetro estar disposto
ou sobre o substrato ou sobre o selo d’água, reduz as perdas durante o processo de produção do gás. O resíduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração de sólidos totais não superior a 8%, e geralmente é alimentado por dejetos bovinos e/ou suínos, que apresentam uma certa regularidade no fornecimento de dejetos (LUCAS JUNIOR, 1987).
A Figura 6 a seguir mostra os detalhes da construção de um biodigestor modelo indiano, e seus principais componentes:
Figura 6 - Biodigestor Modelo Indiano.
Fonte: Lucas Junior (1987). 2.4.2.2 Modelo Chinês
O modelo chinês é fabricado para propriedades rurais pequenas, portanto tem o intuito de ocupar o menor espaço possível. Formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria (tijolo) para a fermentação, com teto abobado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás. Seu princípio de funcionamento se assemelha com uma prensa hidráulica, de modo que aumentos de pressão em seu interior resultantes do acúmulo de biogás resultarão em deslocamentos do efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, e em sentido contrário quando ocorre descompressão.
O modelo Chinês é constituído quase que totalmente em alvenaria, segundo Lucas Junior (1987) “este modelo o uso de gasômetro em chapa de aço, reduzindo os custos, contudo pode ocorrer problemas com vazamento do biogás caso a estrutura
não seja bem vedada e impermeabilizada, o que não seria uma boa opção para quem queira utilizar o biogás”.
Semelhante ao modelo indiano, o substrato deverá ser fornecido continuamente, com a concentração de sólidos totais em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulação do material (LUCAS JUNIOR, 1987).
A característica desse modelo exige que se esgote o gás com mais frequência, dessa forma evita-se o desperdício. A Figura 7 mostra os detalhes de um biodigestor do modelo Chinês:
Figura 7 - Biodigestor Modelo Chinês
Fonte: Lucas Junior (1987). 2.4.2.3 Modelo da Marinha
O biodigestor do modelo da marinha, foi desenvolvido pela Marinha Brasileira em 1970, e apesar de possuir uma construção considerada simples, apresenta uma tecnologia mais moderna em relação aos modelo mencionados anteriormente. Possui uma câmara de digestão escavada no solo e um gasômetro inflável feito de material plástico ou similar. É um modelo mais raso e longo, por isso pode receber uma grande quantidade de resíduos, pelo fato de possuir uma área maior de exposição solar lhe garante também uma maior produtividade do gás por massa fermentada (ARAUJO,2017).
A cúpula feita de material plástico maleável é inflada a medida que acontece a produção do biogás, acumulando o mesmo, que também pode ser enviado para um
gasômetro separado do biodigestor, proporcionando assim um maior controle do biogás produzido (JUNQUEIRA, 2014).
Pelo fato de poder receber grandes quantidades de resíduos, o modelo da marinha possui maior vantagem do que o modelo Indiano. Em comparação com o modelo Chinês, está no fato de que o ultimo está sujeito a rachaduras em sua estrutura de alvenaria devido ao solo brasileiro sofrer muita acomodação, podendo provocar perdas de gases, exigindo manutenção e monitoramento constantes.
A Figura 8, mostra os detalhes construtivos e partes que compõem um biodigestor do modelo da marinha.
Figura 8 - Biodigestor Modelo da Marinha
3 NORMAS E REGULAMENTOS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Segundo Toyama (2010 apud TREVISAN, 2011), “uma unidade geradora deve atender a requisitos mínimos, geralmente definidos pela distribuidora de energia ou seus representantes, de maneira com que a conexão de unidades geradoras de energia elétrica evitem problemas a rede de distribuição e seus consumidores.”
Em termos de regulamentação especifica para todo o território brasileiro, não há nenhum documento especifico e unificado emitido pela ANEEL com a finalidade de regularizar e fiscalizar a produção de energia através da conexão de GD na rede de energia elétrica. Embora, para que as distribuidoras e seus representantes possuam alguns aspectos básicos da conexão de geração na rede de distribuição existem os Procedimentos de Distribuição – PRODIST, que servem como base para a conexão de GD em suas redes, e partir dessas informações gerar seus próprios requisitos e critérios.
Com a necessidade de regularizar a instalação de geração distribuída junto a rede de distribuição, a Federação das Cooperativas de Energia, Telefonia e Desenvolvimento Rural do Rio Grande do Sul (FECOERGS), juntamente com suas filiadas, emitiu a Orientação Técnica – Distribuição (OTD 035.01.08): Requisitos Técnicos para a Conexão de Micro e Minigeração Distribuída. Com o objetivo de “estabelecer as diretrizes básicas necessárias para o acesso e conexão de micro e minigeração distribuída aplicáveis a todos os consumidores que desejam a conexão da geração distribuída.”
3.1 PROCEDIMENTOS DE DISTRIBUIÇÃO – PRODIST
Os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, são documentos elaborados pela ANEEL, com a participação dos agentes de distribuição e de outras entidades e associações do setor elétrico nacional, que normatizam e padronizam as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica. Com os principais objetivos (ANEEL, 2016):
Propiciar o acesso aos sistemas de distribuição, assegurando tratamento não discriminatório entre agentes;
Disciplinar os procedimentos técnicos para as atividades relacionadas ao planejamento da expansão, à operação dos sistemas de distribuição, à medição e à qualidade da energia elétrica;
Estabelecer requisitos para os intercâmbios de informações entre os agentes setoriais, e;
Assegurar o fluxo de informações adequadas à ANEEL.
O PRODIST é compostos por 11 módulos, sendo que dois são referências técnicas sobre a conexão de geração distribuída, o Módulo 3 que regulamenta o Acesso ao Sistema de Distribuição e o Módulo 8 que estabelece os procedimentos acerca da Qualidade de Energia Elétrica (QEE).
3.1.1 PRODIST Módulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição
O PRODIST Modulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição tem como objetivo, estabelecer as condições de acesso ao sistema de distribuição e definir os critérios técnicos e operacionais, requisitos de projeto, as informações, os dados e a implementação da conexão, tanto de novos quanto dos consumidores existentes (ANEEL, 2016).
Quanto as condições gerais para a conexão de uma geração conectada à rede de distribuição o PRODIST – Módulo 3 (2016) coloca que “o acessante que conecta suas instalações ao sistema de distribuição não pode reduzir a flexibilidade de recomposição do mesmo, seja em função de limitações dos equipamentos ou por tempo de recomposição”.
Outras condições colocadas por este módulo do PRODIST, é quanto ao paralelismo da geração, que não pode causar problemas técnicos ou de segurança aos demais acessantes, ao sistema de distribuição e aos trabalhadores envolvidos com a manutenção e operação da rede. É responsabilidade do acessante efetuar a sincronização adequada de suas instalações com o sistema de distribuição e ajustar as suas proteções de maneira com que a GD, desfaça seu paralelismo com a rede caso ocorra desligamento, antes da próxima tentativa de religamento (ANEEL, 2016).
Os seguintes aspectos são de responsabilidade do acessante, de efetuando um estudo básico, avaliando a influência da geração, tanto no ponto de conexão como na área influenciada no sistema elétrico (ANEEL, 2016):
Nível de curto-circuito;
Capacidade de disjuntores, barramentos, transformadores de instrumento e malhas de terra;
Adequação do sistema de proteção envolvido na integração das instalações do acessante e revisão dos ajustes associados, observando-se estudos de coordenação de proteção;
Ajuste dos parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de frequência e, para conexões em alta tensão, dos sinais estabilizadores.
O Módulo 3 ainda coloca os requisitos mínimos de proteção quanto a conexão de centrais geradoras que se encaixam no conceito de micro ou minigeração distribuída conforme sua potência, demonstrada no Quadro 2 a seguir:
Quadro 2 - Proteções mínimas em função da potência instalada.
Fonte: ANEEL (2016).
O Módulo 3 do PRODIST (2016) prevê ainda que o acessante deve garantir que suas instalações operem observando as faixas de operação dos aspectos considerados da qualidade da energia elétrica e estabelecidos no Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica. São estes:
a) Tensão de regime permanente; b) Fator de potência;
c) Harmônicos;
d) Desequilíbrio de tensão; e) Flutuação de tensão;
f) Variações de tensão de curta duração; g) Variação de frequência.
Para todos os aspectos da qualidade de energia elétrica citados, existem limites aceitáveis de operação, e indicadores mínimos para um funcionamento fora dos limites indicados e que devem ser respeitados.
3.1.2 PRODIST Módulo 8 – Qualidade de Energia Elétrica
A Qualidade de Energia Elétrica (QEE) tem como em uma de suas definições, como sendo a disponibilidade de energia elétrica com a forma de onda senoidal sem distorções e a magnitude dentro dos padrões pré-estabelecidos derivando de uma fonte infinita (DIAS, 2002). Permitindo que todo o sistema, equipamentos e os demais processos trabalhem sem perdas de rendimento, vida útil e segurança, buscando um setor mais confiável e estável.
Outra definição coloca que é qualquer problema na tensão, na corrente ou desvio na frequência que prejudique a operação de equipamentos, mais precisamente, atinja o consumidor. Quando um sistema elétrico de excelente qualidade é fornecido de tal forma que a tensão permaneça com sua forma de onda senoidal pura, sem alteração de amplitude e frequência, como se emanasse de uma fonte de potência infinita (ROCHA, 2016). O contrário acontece com um fornecimento de energia elétrica de má qualidade, ou seja, com desvios na curva da tensão, fora dos níveis permitidos e considerados aceitáveis, acaba prejudicando equipamentos ligados ao ponto de entrega do consumidor.
De acordo com Leão, Sampaio e Antunes (2014) a qualidade da energia elétrica depende de uma série de fenômenos eletromagnéticos que deformam a forma de onda da tensão e da corrente. Estes podem ser divididos em duas categorias de distúrbios. Aqueles que ocorrem ocasionalmente com curta duração (eventos) e os que ocorrem em regime permanente de tensão e corrente (sustentados). Desta forma é possível afirmar que existe perda de qualidade de energia se um sistema estiver sendo afetado por um ou mais destes fenômenos.
