UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
NADINE LAMBRECHT SZAMBELAN
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR E BIOGÁS COMO FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA PARA UMA PEQUENA
PROPRIEDADE RURAL
Ijuí 2017
NADINE LAMBRECHT SZAMBELAN
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR E BIOGÁS COMO FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA PARA UMA PEQUENA
PROPRIEDADE RURAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Eletricista do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues
Ijuí 2017
NADINE LAMBRECHT SZAMBELAN
AVALIAÇÃO DA IMPLANTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR E BIOGÁS
COMO FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA PARA
UMA PEQUENA PROPRIEDADE RURAL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Ijuí, __19__ de ______junho____ de 2017.
Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador
BANCA EXAMINADORA Prof. Mauro Fonseca Rodrigues (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria Prof. Mateus Felzke Schonardie (UNIJUÍ) Doutor pela Universidade Federal de Santa Catarina
DEDICATÓRIA
Aos meus pais e a minha irmã pelas angústias e preocupações que passaram por minha causa, mas também pelo carinho, compreensão, amor e estímulo que me ofereceram, dedico-lhes essa conquista como gratidão.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, agradecer a DEUS, pela oportunidade de usufruir do gosto da vida. Em segundo lugar não menos importante, mas de tal forma fundamental, aos meus pais Mauro Estevo Szambelan e Neldi Szambelan que nunca mediram esforços para que eu tivesse a oportunidade de aprender cada dia mais, porém ainda assim digo: "Falta muito para a minha pessoa chegar a ser 5% de tudo o que vocês representam para mim".
A minha irmã Vanessa Szambelan, que por muitas vezes esteve longe devido confrontos de horários e rotinas distintas, porém nenhuma distância é capaz de me tirar o gosto de ser sua metade e ver com orgulho a sua dedicação em prol de seus sonhos particulares e a bela moça que tens te tornado.
Ao Professor Orientador Me. Mauro Fonseca Rodrigues, pelas suas recomendações, sugestões e a dedicação ao trabalho, auxiliando da melhor forma possível.
Agradeço às pessoas especiais que se fizeram presentes durante esta caminhada, não apenas no quesito acadêmico mas todos aqueles que se fizeram presentes na minha vida.
Assim como meus maiores mimos do curso da Engenharia Elétrica, Ana Luiza Furtado Rodrigues, Graziele Techio e Sandi Gehm, as quais dividi incalculáveis experiências, obrigada por cada momento, mas também obrigada pela escolha mútua em seguir uma jornada cercada de desafios que testam diariamente a nossa capacidade de ser tão autênticas, seguras e capazes quanto os outros 95% restantes dos nossos "colegas".
Ao Arthur Staats, que tenho como melhor amigo mas também como exemplo de dedicação para vida; obrigada pelas inúmeras vezes que me auxiliou e me mostrou o quanto temos a aperfeiçoar algo já dito como excelente.
Ao curso de Engenharia Elétrica da Unijuí, através de sua Coordenação, agradecer a todos os professores pelo conhecimento proporcionado.
“Se um dia tiver que escolher entre o mundo e o amor... Lembre-se. Se escolher o mundo ficará sem o amor, mas se escolher o amor com ele você conquistará o mundo."
RESUMO
Este Trabalho de Conclusão de Curso tem por objetivo apresentar a comparação da viabilidade econômica para a inserção de duas fontes alternativas de energia elétrica - Solar e o Biogás - para uma pequena propriedade rural localizada no interior do Noroeste do estado do Rio Grande do Sul, onde formam utilizados métodos comparativos que demonstrassem qual das duas fontes de energia apresentaria maior retorno. Esta escolha se deu pelo duplo potencial da propriedade, pois além do aproveitamento da aquisição facilitada do esterco provindo dos 100 bovinos de leite em confinamento que é a matéria prima do biogás, a cobertura do galpão que será analisado para a colocação das placas solares é justamente a que abriga todos esses animais. Com o auxílio do referencial bibliográfico obteve-se a capacidade de produção do sistema fotovoltaico e do biogás, em condições ideais, assim como a conversão destes valores para unidade de energia elétrica. Após, será realizado a aplicação de conceitos da Engenharia Econômica e Avaliações para avaliar ambos sistemas quanto à viabilidade financeira. A partir dessas análises realizadas foi possível concluir pela inviabilidade desta prática, devido ao longo tempo de retorno do investimento, o grande investimento inicial e pelo baixo custo da taxa da tarifa paga pelo pequeno produtor rural.
Palavras-chave: Geração de energia elétrica; Microgeração de energia elétrica; Fotovoltaica; Biomassa; Viabilidade Econômica; Engenharia Agrícola.
ABSTRACT
This work aims to present a comparison of economic viability for the insertion of two alternative sources of electricity - Solar and Biogas - to a small rural property located in the interior of the Northwest of the state of Rio Grande do Sul, where Comparative methods were used to demonstrate which of the two sources of energy would have the greatest return. This choice was due to the double potential of the property, since in addition to the use of the facilitated acquisition of the manure coming from the 100 cattle of confined milk that is the raw material of the biogas, the coverage of the shed that will be analyzed for the placement of the solar plates is precisely The one that houses all these animals. With the aid of the bibliographic reference, it is intended to obtain the production capacity of the photovoltaic system and biogas, under ideal conditions, as well as the conversion of these values to the electric power unit. Afterwards, the concepts of Economic Engineering and Evaluations will be applied to evaluate both systems regarding financial viability. Based on these analyzes, it was possible to conclude that this practice was unfeasible, due to the long return on investment, the large initial investment and the low cost of the tariff paid by the small rural producer.
Keywords: Generation of electric energy; Microgeneration of electrical energy; Photovoltaics; Biomass; Economic viability; Agricultural engineering.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Painéis Fotovoltaicos ... 22
Figura 2 - Representação esquemática de uma célula fotovoltaica ... 23
Figura 3 - Representação genérica de um sistema fotovoltaico ... 25
Figura 4 - Efeito da intensidade luminosa da luz ... 26
Figura 5 - Efeito da temperatura ... 26
Figura 6 - Conexão de células em série ... 27
Figura 7- Conexão das células em paralelo ... 27
Figura 8 - Forma de onda típica de um inversor monofásico ... 29
Figura 9 - Curva teórica da incidência solar durante o dia... 30
Figura 10 - Movimento de translação da terra entorno do Sol ... 31
Figura 11 - Ângulo azimutal e inclinação de superfície receptora ... 33
Figura 12 - Esquema genérico do funcionamento do biodigestor ... 36
Figura 13 - Representação tridimensional em corte do biodigestor tipo Chinês ... 37
Figura 14 - Representação tridimensional em corte do biodigestor tipo Indiano ... 38
Figura 15 - Representação do biodigestor tipo Canadense ... 39
Figura 16 - Representação do biodigestor modelo Marinha ... 40
Figura 17 - Espaço físico ocupado pelo Biodigestor ... 41
Figura 18 - Propriedade Rural em questão ... 43
Figura 19 - Edificação nos dias Atuais... 45
Figura 20 - Corte do telhado do Galpão ... 45
Figura 21 - Irradiação solar na cidade de Panambi ... 47
Figura 22 - Média Anual e o Delta ... 48
Figura 23 - Esquema de ligação dos módulos fotovoltaicos ... 52
Figura 24 - Maquete do Sistema do Biogás ... 66
Figura 25 - Sistema em 3D do Biogás ... 67
Figura 26 - Gráfico de consumo da energia elétrica ... 72
Figura 27 - Payback do Sistema Fotovoltaico ... 75
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Eficiência e custo de cada tipo de célula fotovoltaica ... 24
Tabela 2 - Formas de Onda ... 30
Tabela 3 - Substâncias mais importantes do Biogás ... 34
Tabela 4 - Matérias Primas ... 34
Tabela 5 - Geração de biogás e tipo de animal ... 35
Tabela 6 - Características dos Módulos Fotovoltaicos ... 49
Tabela 7 - Características do Inversor... 52
Tabela 8 - Dados restantes do Inversor ... 53
Tabela 9 - Custos Unitários ... 54
Tabela 10 - Geração de energia para o sistema solar fotovoltaico ... 56
Tabela 11 - Nova economia gerada pelo sistema ... 59
Tabela 12 - Custos Unitários ... 60
Tabela 13 - Geração de energia para o novo estudo do sistema solar fotovoltaico .. 61
Tabela 14 - Economia gerada pelo sistema ... 63
Tabela 15 - Cálculo da produção do biogás ... 65
Tabela 16 - Custos Unitários ... 66
Tabela 17 - Geração de energia para o sistema de Biogás ... 68
Tabela 18 - Economia gerada pelo Sistema do Biogás ... 70
Tabela 19 - Consumo e Fatura anual da propriedade ... 71
Tabela 20 - Payback Simples para o sistema com 36 placas ... 73
Tabela 21 - Payback Simples para o sistema com 48 placas ... 74
Tabela 22 - Retorno do investimento para sistema Fotovoltaico ... 74
Tabela 23 - Taxa Interna de Retorno para as 36 placas ... 77
Tabela 24 - Taxa Interna de Retorno para as 48 placas ... 77
Tabela 25 - Retorno do investimento para sistema do Biogás ... 78
Tabela 26 - Payback Simples para o sistema do Biogás com os opcionais ... 79
Tabela 27 - Payback Simples para o sistema do Biogás sem os opcionais ... 79
Tabela 28 - Taxa Interna de Retorno com Opcionais ... 81
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AGO Assembléia Geral Ordinária
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BT Baixa Tensão
BOS Balance of the System
CA Corrente Alternada
CERILUZ Cooperativa Regional de Energia e Desenvolvimento Ijuí LTDA CC Corrente Contínua
CONFEA Conselho Federal de Engenharia e Agronomia
CRESESB Centro de Ref. em Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito DCEENG Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
EPE Empresa de Pesquisa Energética FV Fotovoltaico
IPQM Instituto de Pesquisa da Marinha do Brasil MPPT Maximum Power Point Tracker
NBR Norma Brasileira
N Cátodo
P Ânodo
PB Payback
PIB Produto Interno Bruto RN Resolução Normativa
SRSC Sistema de regulação supervisão e controle SFV Sistema Fotovoltaico
ST Sólidos Totais
TMA Taxa Mínima Atrativa TIR Taxa Interna de Retorno VPL Valor Presente Líquido
LISTA DE SÍMBOLOS
Ψ Ângulo azimutal do Sol [°]
β Ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico [°] Ângulo de Incidência
a Ângulo de incidência da Superfície Øz Ângulo Zenital
Ângulo Horário do Sol Altura Solar
h Altura
A
Área do módulo fotovoltaico [m2]l Comprimento
Cp
Custo pelo projeto [R$]C
Crédito acumulado em [kWh]Can
Crédito acumulado dos meses anteriores em [kWh]/ Dejetos produzidos por dia
T
Disponibilidade mensal da planta (horas/mês);δ Declinação solar [°]
Economia proporcionada pelo sistema durante um ano em reais [R$]
Inj
Energia injetada pelo sistema solar fotovoltaico em [kWh] Energia produzida pelo módulo fotovoltaico [Wh]E
FVmês Energia produzida pelo módulo fotovoltaico no mês [kWh]$
% &á Quantia de biogás produzida por animal$1
Quantia de biogás produzida por dia)
Quantidade de animais do localPmp Faixa de tensão do seguidor (Vmppt_min – Vmppt_max) do
inversor
cos φ Fator de potência do inversor
f Frequência em [Hz]
finv Frequência do inversor
Gss
Gastos com a energia consumida sem o sistema solar fotovoltaico durante um mês [R$]+, Gastos com a energia consumida com o sistema solar fotovoltaico durante um mês [R$]
Inclinação
It
Investimento Total [R$]Htot Irradiação total [Wh/m2]
Ghor Irradiância global [W/m2]
kWh Kilo Watt Hora
N
mód Número de módulos fotovoltaicosP
Potência total do sistema fotovoltaico [kW]Pg
Potência gerada pelo sistema fotovoltaico [kWh]3
Produção de dejetos por animal4 Produção de eletricidade PFV Potência fotovoltaica [Wp]
Pm, Pnom Potência nominal de máxima gerada do módulo
4
Potência de geração do sistema instaladoPot
Potência nominal da planta [kWh]CBos
Preço unitário do Bos [R$]Pai
Preço unitário do painel [R$]Pinv
Preço unitário do inversor [R$]E
sol Radiação solar média diária no localHSP
Número de horas de sol pleno em média diária a uma intensidade de 1000W/m² [h]D
Número de dias no mêsnp
Número de painéisni
Número de inversoresƞ
Rendimento do módulo [%]Ƞ>>/>? Rendimento do inversor dado em porcentagem [%]
TW Terra Watt
4% Tempo de retorno de investimento [anos]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 DADOS DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO ... 16
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 16 1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 16 1.4 JUSTIFICATIVA... 17 1.5 OBJETIVOS ... 18 1.5.1 Objetivo Geral ... 18 1.5.2 Objetivos Específicos ... 18 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20 2.1 ENERGIA SOLAR ... 20 2.1.1 Radiação Solar ... 20
2.1.2 Uso da Energia Solar ... 21
2.1.3 Energia Solar Fotovoltaica ... 21
2.1.4 As células fotovoltaicas ... 22 2.2 SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 24 2.2.1 Módulo Fotovoltaico ... 25 2.2.1.1 Associação Série ... 27 2.2.1.2 Associação Paralelo ... 27 2.2.2 Baterias ... 28
2.2.3 Sistema de regulação supervisão e controle ... 28
2.2.4 Inversor ... 29
2.2.5 Captação da Radiação Solar ... 30
2.3 O BIOGÁS ... 33
2.3.1 O biogás produzido a partir da matéria-prima animal ... 35
2.4 O BIODIGESTOR ... 35
2.4.1 Modelo Chinês ... 37
2.4.2 Modelo Indiano ... 38
2.4.3 Modelo Canadense ... 39
2.4.4 Modelo da Marinha Brasileira ... 39
2.6 CÁLCULO DO FATOR ECONÔMICO ... 41
3 DIMENSIONAMENTO DAS FONTES RENOVÁVEIS ... 43
3.1 ESCOLHA DO LOCAL DO ESTUDO ... 43
3.2 DIMENSIONAMENTO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA ... 44
3.2.1 Análise das condições prediais do local ... 44
3.2.2 Determinação da Radiação Solar ... 46
3.2.3 Materiais do Sistema Fotovoltaico ... 48
3.2.4 Dimensionamento dos Módulos Fotovoltaicos ... 49
3.2.5 Dimensionamento do Inversor ... 51
3.2.6 Dimensionamento da Bos ... 53
3.2.7 Potência gerada pelo Sistema Fotovoltaico ... 55
3.2.8 Tempo de Retorno de Investimento - Payback ... 56
3.3 DIMENSIONAMENTO DO BIOGÁS ... 63
3.3.1 A geração do biogás na propriedade ... 64
3.3.2 Investimento para instalação do Biodigestor ... 65
3.3.3 Potência gerada pelo Sistema do Biogás ... 67
4 AVALIAÇÃO ECONÔMICA ... 71
4.1 CONSUMO MENSAL DE ENERGIA ELÉTRICA ... 71
4.2 FOTOVOLTAICA ... 73
4.2.1 Payback Simples ... 73
4.2.2 Método da Taxa interna de retorno (TIR) ... 76
4.3 BIOGÁS ... 78
4.3.1 Payback Simples ... 78
4.3.2 Método da Taxa interna de retorno (TIR) ... 81
5 RESULTADOS ... 83
5.1 FOTOVOLTAICA ... 83
5.2 BIOGÁS ... 84
6 CONCLUSÃO... 86
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 89
ANEXO 1 - PROJETO FOTOVOLTAICO ... 94
ANEXO 2 - PROJETO DO BIODIGESTOR ... 100 ANEXO 3 - FATURAS DAS DUAS UNIDADES CONSUMIDORAS. 107
1 INTRODUÇÃO
1.1 DADOS DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO
Projeto de pesquisa para Conclusão de Curso, apresentado pela acadêmica de bacharel em Engenharia Elétrica, Nadine Lambrecht Szambelan. Trabalho orientado pelo Professor Mestre Mauro Fonseca Rodrigues.
A pesquisa e o desenvolvimento da abordagem decorrem no campo das fontes alternativas de energia elétrica, baseando-se no estudo da viabilidade econômica da energia solar e biogás para pequenas propriedades rurais.
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Através do estudo e da revisão bibliográfica do assunto em geral, será aplicado uma abordagem dedutiva a uma pequena propriedade rural localizada no interior do Noroeste do Rio Grande do Sul, onde serão utilizados métodos comparativos que demonstre quais das duas fontes de energia (solar e biogás) apresentará maior retorno à propriedade em questão.
1.3 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Para pequenas propriedades rurais, por que não utilizar a energia solar e biogás como fontes alternativas de energia elétrica a fim de promover ganhos financeiros a partir do consumo interno ou até a venda de energia excedente? Qual das duas fontes alternativas de energia elétrica abordadas apresentam maior eficiência em termos de energia gerada e retorno de investimento?
Quais os requisitos necessários numa propriedade rural para usufruir da energia fotovoltaica? E para utilizar o biogás? Seu uso seria aquecimento, geração de energia, ambos?
1.4 JUSTIFICATIVA
Conforme Prati (2010) as tecnologias a base de fontes renováveis são atrativas não só devido às vantagens ambientais, mas também sociais e econômicas. A possibilidade de criação de fontes de suprimento descentralizadas e em pequena escala é fundamental para o desenvolvimento sustentável.
Um pequeno grupo de países no mundo tem liderado uma corrida para o desenvolvimento de tecnologias que viabilizem a exploração de fontes renováveis de energia, países estes como China, Alemanha, EUA, Espanha, Índia e Portugal (RIBEIRO, 2012).
Logo, a necessidade da implementação de fontes de geração de energia elétrica renováveis com mínimo impacto ambiental virou uma necessidade, um objetivo de todos, pois além de contribuir significativamente para preservação do meio ambiente, ajudou na disseminação das tecnologias, com geração de emprego e consequentemente redução dos custos com a fatura de energia.
O meio rural é responsável por cerca de 22% do PIB brasileiro (CEPEA/USP,2012). No entanto, os recursos de energia ainda são escassos e não apresentam qualidade no fornecimento (Min. Minas e Energia, 2011) o que acaba criando inúmeras dificuldades para que as pequenas propriedades rurais mantenham seus produtos e matérias-primas em condições de uso e consumo, levando à perda de insumos e de produção.
Entretanto, uma boa porcentagem dos consumidores rurais possuem em suas propriedades o sistema de confinamento de animais, nesse caso em específico o confinamento de bovinos de leite. O que acarreta na geração de resíduos e gases (gás carbônico e metano), os quais ao não serem aproveitados, afetam ainda mais o aquecimento global, pois são os principais responsáveis pelo efeito estufa.
Do mesmo modo que para se obter um sistema de confinamento é necessário a instalações de galpões de grande porte na propriedade, o que possibilita uma outra fonte alternativa para geração de energia elétrica que é o aproveitamento das coberturas desses galpões para implantar células fotovoltaicas para conversão direta da luz solar em eletricidade.
O objetivo principal é utilizar essa energia produzida para o consumo interno da propriedade, pois o mesmo é elevado em função dos inúmeros equipamentos existentes. Atualmente, alguns destes equipamentos ou sistemas necessitam de alimentação sem interrupções e isso deverá aumentar no futuro, na medida que mais utensílios forem agregados no modo produtivo local. Por fim, será analisada e comparada a eficiência de ambas fontes de energia elétrica estudadas para o caso proposto.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo Geral
Analisar o funcionamento das energias solar e biogás como fontes alternativas de energia elétrica. Estudar formas de aplicar os conceitos teóricos e verificar viabilidade econômica desse estudo para as pequenas propriedades rurais.
1.5.2 Objetivos Específicos
• Fazer um revisão bibliográfica pertinente ao tema do TCC;
• Estudar o que é a energia solar fotovoltaica, requisitos e características;
• Estudar o que é o biogás, biodigestores e geração de energia nesse sistema;
• Coletar dados pertinentes à propriedade rural em questão;
• Analisar a viabilidade econômica deste estudo pesquisando quais seriam os custos de implantação;
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho está dividido em seis capítulos, conforme descritos abaixo:
No primeiro capítulo é apresentada a origem da pesquisa, sua justificativa e objetivos.
No segundo capítulo, apresenta-se a revisão da bibliografia sobre energia Solar e o Biogás. O qual descreve ambos sistemas de maneira simplificada assim como todos os componentes envolvidos nesses processos de geração de energia. Também é apontado uma revisão bibliográfica sobre a Engenharia econômica e Avaliações, descrevendo as características e o benefício que esta proporciona ao fornecer métodos que permitem tomar decisões de investimentos importantes (de valores significativos).
No terceiro capítulo está detalhado o dimensionamento das fontes renováveis, o qual se realizou a partir de uma fatura de energia elétrica da edificação. Neste é demonstrado e realizado um estudo dos custos de implantações, capacidade de geração de energia elétrica, economia e créditos gerados por cada sistema.
No quarto capítulo são realizados análises da viabilidade econômica do estudo de caso sobre o sistema de geração fotovoltaico e biogás propostas para atender a propriedade em questão.
No quinto capítulo, são apresentadas as respostas e comparações entre ambos sistemas propostos.
No sexto capítulo, são apresentadas as considerações finais e resultados obtidos durante o estudo.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ENERGIA SOLAR
A energia solar é a energia provinda do calor e da luz do Sol. Conforme Prati (2010) esta é considerada uma energia renovável, sustentável e inesgotável no ponto de vista humano. A mesma atualmente é empregada em diversas áreas da tecnologia como a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, fotossíntese artificial e o aquecimento solar.
O aproveitamento dessa energia proporciona vários benefícios pois esta é uma energia limpa e pura do sol, portanto reduz a dependência da sociedade dos combustíveis fósseis e consequentemente ajuda a combater as emissões de gases de efeito estufa.
2.1.1 Radiação Solar
O Sol é uma fonte de energia tão imensa que pode ser considerada uma imensa fornalha de forma esférica (MATAVELLI, 2013). Este astro possui 110 vezes o tamanho da Terra e está a uma distância de 150 milhões de quilômetros (MANUAL, 1978).
Da energia total produzida no interior do Sol, apenas uma pequena fração chega à Terra. É essa pequena fração, que na superfície do Sol é transformada de energia nuclear para energia luminosa, que torna a vida terrestre possível (MATAVELLI, 2013). O fornecimento anual de energia pela radiação solar, para a superfície terrestre, é de 1,5x108 kWh (CRESESB, 2006).
Segundo o estudo do Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a irradiação solar incidente por ano na superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo anual de energia do mundo. Mais precisamente de acordo com CRESESB (2014), a Terra dispõe de uma potência de 174 mil TW proveniente do sol, o que representa cerca de 12 milhões de vezes a potência instalada na Usina hidrelétrica de Itaipu.
Essa radiação, porém, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre, depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas como
nebulosidade e umidade relativa do ar. Ao passar pela atmosfera terrestre, a energia solar manifesta-se sob a forma de luz visível de raios infravermelhos e de raios ultravioleta. É possível captar essa luz e transformá-la em alguma forma de energia utilizada pelo homem: elétrica, química e térmica. (CRUZ, 2012).
2.1.2 Uso da Energia Solar
A energia solar pode fornecer basicamente três tipos de processos: elétricos, químicos e térmicos (COMETTA, 1978). O primeiro processo consiste na transformação direta em energia elétrica como é no caso de processos fotovoltaicos e geradores termoelétricos. Já os processos químicos consistem na utilização da energia solar para realizar a fotólise (quebra pela ação da luz solar) e a fotossíntese. Por fim, processo térmico é utilizado para aquecimento de ambientes e de água (utilizando coletores planos), evaporação, destilação, fornos solares e fornos solares parabólicos (MATAVELLI, 2013).
2.1.3 Energia Solar Fotovoltaica
A energia solar fotovoltaica se dá pelo surgimento de uma diferença de potencial entre os terminais de um material semicondutor quando exposto à luz solar (THOMAZ, VIEIRALVES, 2016). O físico francês Edmund Becquerel observou pela primeira vez em 1839 em uma solução de selênio o efeito fotovoltaico, porém o primeiro aparato fotovoltaico foi montado em 1876 e apenas em 1956, iniciou-se a produção industrial (CRESESB, 2006).
Os materiais ditos semicondutores são caracterizados pela presença de bandas de energia, chamadas bandas de valência, bandas proibidas e bandas de condução (MATAVELLI, 2013). A banda de valência refere-se ao nível de energia em que o elétron está sob forte ação da força do núcleo atômico. A banda proibida é a faixa de energia que o elétron deve romper para entrar na banda de condução, sendo que esta última é caracterizada pela liberdade que o elétron possui de interagir com a sua vizinhança (RIBEIRO, 2012).
Quando os elétrons absorvem a energia solar necessária para romper a sua banda de valência e entram na banda de condução, onde ele terá liberdade de interagir eletronicamente com a sua vizinhança ocorre o efeito fotovoltaico. O
campo elétrico gerado pela junção acelera os elétrons e favorece o deslocamento de cargas, gerando, dessa forma, a corrente elétrica (RIBEIRO, 2012).
Existem hoje muitos materiais semicondutores apropriados para conversão fotovoltaica, porém o mais utilizado é o silício, pois seus átomos possuem quatro elétrons na camada de valência, que fazem ligação com os elétrons do átomo vizinho, formando assim uma rede cristalina.
A essa rede são adicionados elementos com cinco elétrons de ligação e elementos com três elétrons de ligação. Esse movimento de elétrons gera uma diferença de potencial, onde o acúmulo de elétrons de um lado se torna negativo e do outro lado positivo devido à falta de elétrons e, também, gera um campo elétrico que mantém os elétrons afastados (CRESESB, 2006).
2.1.4 As células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas são as menores unidades de conversão de energia luminosa, proveniente do Sol, em energia elétrica (CRESESB, 2006). Os painéis fotovoltaicos compreendem um conjunto de células, as quais são fundamentais para o processo de conversão direta da luz solar em eletricidade, como pode ser observado na Figura 1.
Figura 1 - Painéis Fotovoltaicos
A grande maioria das células fotovoltaicas é constituída de uma junção P-N. A junção de um cristal tipo P (Ânodo) e um tipo N (Cátodo) é necessária para ocorrência do efeito fotovoltaico. Nessa junção cria-se uma zona de depleção, lugar onde existe um campo elétrico gerado pela recombinação, ou seja, associação de um elétron do material tipo N com uma lacuna do material tipo P (RIBEIRO, 2012).
O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado N passam ao lado P onde encontram os buracos que os capturam. Isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado P, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado N, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado N para o lado P. Este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado N (BRAGA, 2008).
A Figura 2 exibe o corte transversal de uma célula fotovoltaica, a qual utiliza contatos metálicos nas duas extremidades da junção para captar a energia.
Figura 2 - Representação esquemática de uma célula fotovoltaica
Fonte: RIBEIRO, 2012.
As primeiras células produzidas possuíam baixo rendimento, em torno de 2%, e custavam em média US$ 600/W. Porém, atualmente já se pode encontrar células
com rendimento acima de 10%, podendo atingir 18% dependendo do material utilizado e com custo médio de US$ 6,00/W, tendendo a diminuir cada vez mais (BRAGA, 2008).
A Tabela 1 apresenta a comparação de alguns dos diversos tipos de células quem vem sendo alvo de pesquisas, atualmente o material mais utilizado é o silício.
Tabela 1 - Eficiência e custo de cada tipo de célula fotovoltaica
Tipo de Célula Eficiência de Conversão Custos
Silício Monocristalino 15% Relativamente Elevados
Silício Policristalino 12% Elevados
Silício Amorfo 8% a 10% Bastante Baixos
Sulfeto de Cobre -
Sulfeto de Cádmio 7% a 9% Elevados
Arsenieto de Gálio 21% Bastante Elevados
Cádmio - Selênio 6% a 7% Desconhecidos
Fonte: RIBEIRO, 2012.
2.2 SISTEMA FOTOVOLTAICO
Segundo o Grupo de Trabalho de Energia Solar do CEPEL - CRESESB/RJ, em sua publicação “Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos” (PRC - PRODEEM, 2004), os componentes necessários em um sistema fotovoltaico completo podem variar dependendo da aplicação e das características das cargas a serem alimentadas.
Genericamente um sistema fotovoltaico de energia é composto por um ou mais módulos fotovoltaicos e por um conjunto de equipamentos complementares, como baterias, controladores de carga, inversores e outros equipamentos de proteção (BRAGA, 2008).
A monografia de graduação de Engenharia de Controle e Automação sobre "Implantação de um sistema de geração fotovoltaica", publicado em Ouro Preto, abrange um pouco sobre a questão do sistema fotovoltaico:
Os painéis são montados de acordo com a necessidade do projeto. A energia gerada por eles é enviada para um sistema de regulagem supervisão e controle de carga, cuja finalidade é gerenciar a carga que será consumida por algum equipamento ou armazenada no banco de baterias. Em projetos onde há a necessidade de utilização de corrente alternada, faz-se necessário o uso de inversores uma vez que os painéis fotovoltaicos
geram corrente contínua. Quando há em um projeto que possui tanto cargas corrente contínua (CC), quanto cargas corrente alternada (CA) para serem alimentadas é preciso também utilizar um sistema de faz a supervisão e determina a prioridade de uso, conforme Figura 3 (RIBEIRO, 2012, pág 14).
Figura 3 - Representação genérica de um sistema fotovoltaico
Fonte: RIBEIRO, 2012.
2.2.1 Módulo Fotovoltaico
O módulo fotovoltaico é a unidade principal do sistema, nele ocorre a conversão da energia solar para elétrica por meio do princípio do efeito fotoelétrico (RIBEIRO, 2012). O agrupamento em módulos é indispensável, visto que uma célula isolada fornece pouca energia elétrica, uma tensão em torno de 0,4 Volts no ponto de máxima potência. O número de células conectadas em um módulo, e o tipo de arranjo - série ou paralelo - dependerá da tensão de utilização e da corrente elétrica desejada (BRAGA, 2008).
Uma vez que se obtém a configuração desejada, o conjunto recebe um encapsulamento com material apropriado para proteção contra possíveis danos externos, aumentando desta forma a vida útil do componente (RIBEIRO, 2012).
Segundo Braga (2008), o sol possui movimento aparente no céu de acordo com a hora do dia e com o dia do ano. Para receber maior intensidade luminosa é necessário fazer o acompanhamento desses movimentos. Dessa forma, é fundamental determinar a melhor inclinação para cada região em função da latitude e das características da demanda.
Os módulos normalmente são instalados em posição fixa, devido ao elevado custo dos equipamentos que permitem sua movimentação (BRAGA, 2008). A Figura 4 mostra o aumento linear da corrente gerada pelo módulo com a intensidade luminosa.
Figura 4 - Efeito da intensidade luminosa da luz
Fonte: BRAGA, 2008.
A corrente gerada nos módulos aumenta linearmente com o aumento da intensidade luminosa. A condição padrão para plotagem das curvas características dos módulos é definida para uma radiação solar 1000 W/m² e temperatura de 25 ºC na célula (BRAGA, 2008).
Figura 5 - Efeito da temperatura
Fonte: BRAGA, 2008
O aumento da temperatura na célula faz com que a eficiência do módulo caia, baixando os pontos de operação para potência máxima gerada (BRAGA, 2008).Isso se deve ao fato de que o aumento da temperatura reduz significativamente a tensão, enquanto a corrente sofre uma elevação quase desprezível. Este fato pode ser observado na Figura 5.
2.2.1.1 Associação Série
Células fotovoltaicas associadas em série apresentam o terminal positivo de um módulo ligado ao terminal negativo do outro, como pode ser vista na Figura 6. Neste caso a tensão será o resultado do somatório das tensões de cada módulo e a corrente é igual às correntes individuais.
Figura 6 - Conexão de células em série
Fonte: BRAGA, 2008.
2.2.1.2 Associação Paralelo
A associação em paralelo apresentam os terminais do mesmo tipo ligados a um ponto em comum cuja representação pode ser observada na Figura 7.
Figura 7- Conexão das células em paralelo
Fonte: BRAGA, 2008.
Sendo assim, os terminais negativos são todos ligados a um mesmo ponto, enquanto os terminais positivos ligam-se a outro ponto. Neste caso a corrente total é
a soma das correntes individuais de cada célula embora a tensão permaneça a mesma.
2.2.2 Baterias
A função das baterias em um sistema de geração fotovoltaico é acumular a energia produzida durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos prolongados de mau tempo (RIBEIRO, 2012).
As baterias, também denominadas acumuladores de carga, são compostas por um conjunto de células eletroquímicas ligadas em série obtendo-se a tensão elétrica desejada. As mesmas são capazes de transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e posteriormente converter, diretamente, a energia potencial química em elétrica (RIBEIRO, 2012).
Os sistemas fotovoltaicos de geração de energia elétrica podem utilizar acumuladores secundários, isto é, baterias que podem ser recarregadas, configurando um sistema de armazenamento. Entre os tipos de baterias secundárias, as mais comuns são as de Chumbo-Ácido e as de Níquel-Cádmio (BRAGA, 2008). Porém, atualmente existem sistemas fotovoltaicos que não fazem mais o uso dessas baterias, pois a energia produzida é injetada diretamente na rede de distribuição de energia elétrica (geração distribuída).
2.2.3 Sistema de regulação supervisão e controle
O Sistema de Regulação Supervisão e Controle (SRSC) se trata de um gabinete que contém os reguladores, instrumentos, circuitos de supervisão e alarmes e diodos de bloqueio. Cabe ao SRSC emitir alarmes que indicam anormalidades do sistema, tais como condição de sobrecarga, baixa autonomia de energia e fusíveis interrompidos (RIBEIRO, 2012).
O SRSC deve ser projetado de modo a garantir o correto funcionamento do sistema, fazendo o gerenciamento das cargas, realizando ações de controle e, consequentemente, aumentando sua vida útil (RIBEIRO, 2012).
2.2.4 Inversor
Os conversores CC/CA são, normalmente, denominados de inversores. Podem ser utilizados para alimentar uma carga isolada, mas também para interligar um gerador fotovoltaico à rede. O principal papel dos inversores num sistema de geração fotovoltaica é o de criar corrente alternada (CA) a partir de corrente contínua (CC), visto que uma célula fotovoltaica gera corrente CC (BRAGA, 2008).
As formas de onda geradas pelo inversor que determinam a sua qualidade e custo. A inversão de CC para CA pode ser gerada sob a forma de onda quadrada até uma forma de onda senoidal pura, conforme pode ser visto na Figura 8 (RIBEIRO, 2012).
Figura 8 - Forma de onda típica de um inversor monofásico
Fonte: RIBEIRO, 2012
Quanto menos parecida com a forma original senoidal, maior será a limitação da utilização da energia proveniente do inversor (RIBEIRO, 2012). Os inversores podem ser divididos em três categorias, como mostra a Tabela 2:
Tabela 2 - Formas de Onda
Onda quadrada Uso não recomendado
Onda senoidal modificada Aceitável para a maioria das aplicações Onda senoidal pura Para aplicações especiais com distorção
menor que 5%
Fonte: BRAGA, 2008.
2.2.5 Captação da Radiação Solar
A intensidade de radiação solar, denominada de irradiância, é definida pela densidade de potência incidida sobre uma superfície plana perpendicular aos raios solares com área unitária (W/m²).
Conforme Ribeiro (2012), é de suma importância avaliar a interferência da radiação solar em um sistema de geração fotovoltaica, pois a intensidade luminosa tem relação direta quanto á geração de energia por painéis fotovoltaicos, ou seja, o aumento da radiação solar incidente interfere diretamente na potência entregue pelo sistema.
Quanto maior a energia solar entregue ao sistema, maior será a sua capacidade de conversão de energia, o que contribui diretamente para o amento da potência do sistema fotovoltaico (RIBEIRO, 2012).
Figura 9 - Curva teórica da incidência solar durante o dia
Fonte: RIVEIRO, 2012.
Conforme pode ser observado na Figura 9, a curva do gráfico da radiação solar x tempo atinge o seu valor máximo ao meio dia, apresentando uma curva semelhante a uma parábola. Porém nem sempre a radiação solar será de mesma intensidade, devido à órbita elíptica da Terra e a inclinação de seu eixo, que faz com
que o planeta receba diferentes quantidades de radiação de acordo com a sua posição em relação ao sol, conforme Figura 10.
O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5 º com relação ao plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data. A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é chamada Declinação Solar (@). Este varia de -23,45º≤ @ ≥ 23,45º (FRAGA, 2009). Figura 10 - Movimento de translação da terra entorno do Sol
Fonte: Ministério da Ciência e Tecnologia, MCT (2015)
Portanto a posição da Terra em relação ao Sol é fundamental para determinar o ângulo certo de instalação do painel e para evitar eventuais sombras sobre o mesmo.
Em conformidade com Terdiman (2014), o ângulo ideal para o painel, se estiver apontado diretamente ao Sol, será igual ao ângulo da altura solar. Para painéis fixos deve existir uma inclinação que proporcione uma maior irradiância média ao longo do ano. Para isso é importante conhecermos qual deve ser a disposição do painel fotovoltaico no horário de maior pico de energia solar, para
assim capturar o maior nível de incidência da radiação solar no decorrer do ano (TERDIMAN, 2014).
Segundo o Grupo de Trabalho de Energia Solar do CEPEL - CRESESBL, em sua publicação "Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos (GTES, 2014), as relações geométricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol, e a superfície terrestre, são descritas através de vários ângulos, que são definidos a seguir e mostradas na Figura 11:
• Ângulo de incidência (C): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação;
• Ângulo de incidência da Superfície (aD): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. O deslocamento angulas é tomado a partir do Norte;
• Ângulo Azimutal do Sol (Ψ): ângulo entre a projeção do raio solar no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece à mesma convenção acima;
• Altura Solar ( ): ângulo compreendido entre o raio solar e a projeção do mesmo sobre um plano horizontal;
• Inclinação (E): ângulo entre o plano da superfície em questão e a horizontal;
• Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (D): deslocamento angular leste-oeste em relação ao Sol, a partir do meridiano local, e devido ao movimento de rotação da Terra.
• Ângulo Zenital (F ): Ângulo formado entre os raios solares e a vertical (Zênite);
Figura 11 - Ângulo azimutal e inclinação de superfície receptora
Fonte: GTES, 2004.
Segundo Gonchorovski (2016), a maior captação de energia solar se dá quando os raios solares incidem perpendicularmente a superfície do módulo fotovoltaico.
Como este trabalho tem por objetivo captar o máximo de energia ao longo do ano, o ângulo de inclinação normalmente utilizado é o ângulo de inclinação igual a latitude do local (ENERGIA, 2014).
2.3 O BIOGÁS
Segundo Coldebella (2006) o biogás é um gás natural, formado a partir da fermentação anaeróbica, proveniente de dejetos, resíduos vegetais e lixo, que se dá a partir da ação de bactérias.
Toda matéria viva, após a morte é decomposta por microorganismos (bactérias) (OLIVEIRA, 2009). Durante esse processo de decomposição, as bactérias retiram da biomassa parte das substâncias de que necessitam para a manutenção da sua sobrevivência e, em contrapartida, lançam na atmosfera gás e calor. Esse gás é o chamado biogás, uma fonte de energia abundante, não poluidora e barata (BARRERA, 2003).
Na visão comercial e ambiental, a substância mais importante das que compõem o biogás é o gás metano (CH4) (GUEDES, 2007). O biogás apresenta
ainda uma porcentagem significativa do dióxido de carbono (CO2), e em menor
representatividade o oxigênio (O2), ácido sulfídrico (H2S), amônia (NH3), hidrogênio
(H2), nitrogênio (N2) e outros gases em menor concentrações, conforme Tabela 3
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993, GUEDES, 2007).
Tabela 3 - Substâncias mais importantes do Biogás
Composição do Biogás Metano (CH4)
Dióxido de carbono (CO2)
Oxigênio (O2)
Ácido sulfídrico (H2S)
Amônia (NH3)
Hidrogênio (H2)
Nitrogênio (N2)
Fonte: TCHOBANOGLOUS et al. (1993), GUEDES (2007).
A utilização desse gás em larga escala permitiria que a humanidade reduzisse drasticamente o consumo de petróleo, sendo que esta redução somada a não emissão direta na atmosfera do biogás se tornariam ferramentas contra o combate à emissão de gases de efeito estufa e consequentemente mitigadoras do aquecimento global (OLIVEIRA, 2009).
Tabela 4 - Matérias Primas
Fonte : GRYSCHEK et al. BELO (1983).
Na Tabela 4 são apresentadas algumas fontes de resíduos capazes de gerar o biogás tanto no processo de biodigestão natural ou artificial (biodigestores).
Matérias primas - Fontes de resíduos Fezes de bovinos Resíduos de grãos
Fezes de suínos Resíduos de Cervejaria Fezes de coelhos Resíduos de abatedouro
Fezes de aves Capins
Papel e jornais Lixo urbano, esgoto Soro de queijo Sobras de comida
2.3.1 O biogás produzido a partir da matéria-prima animal
Para explorar o máximo potencial de determinados animais, nesse caso em específico o confinamento de bovinos de leite, os produtores rurais estão investindo no confinamento total da criação, especialmente nas regiões onde as áreas de terra são mais limitadas.
Esse tipo de sistema facilita a obtenção do esterco do gado para posteriormente a utilização deste como matéria-prima para o biogás. Na Tabela 5 são apresentados alguns tipos de animais criados em confinamento.
Uma característica que é extremamente ligada à atividade do biogás é a temperatura. Ela é baixa se estiver inferior a 10 ºC e nula acima dos 65 ºC. Farret (2010) relata que o ideal é que exista uma temperatura em torno de 35 ºC. Porém a opção por uma temperatura de trabalho terá de resultar do compromisso entre o volume de gás a produzir, o grau de fermentação e o tempo de retenção (SANTOS, 2013).
Tabela 5 - Geração de biogás e tipo de animal
ANIMAL Kg de dejetos/dia m³ de gás/Kg de dejetos m³ de gás/animal dia
Aves 0,09 0,055 0,0049 Bovinos 10 0,04 0,4 Equinos 6,5 0,048 0,31 Ovinos 0,77 0,07 0,05 Suínos 2,25 0,064 0,14 Fonte: FARRET (2010).
Para o aproveitamento eficaz do biogás a partir do recolhimento do esterco é necessário a implantação de biodigestores. A matéria-prima é utilizada como fonte de energia primária para fornecer energia mecânica em turbinas e motores, os quais acoplados a geradores elétricos são capazes de produzir energia elétrica (OLIVEIRA, 2009).
2.4 O BIODIGESTOR
O biodigestor, ou digestor anaeróbico, é uma câmara fechada na qual a biomassa é fermentada anaerobicamente (GASPAR, 2013). Dentro dos biodigestores ocorre a transformação dos compostos orgânicos em produtos mais simples, a qual possui três fases distintas; primeiro se dá a quebra das moléculas
grandes, posteriormente ocorre a transformação de moléculas de proteínas, gordura e carboidratos em ácido orgânicos e na última fase tem
Todo esse processo origina gases (biogás), sólidos dec (biofertilizante), e líquidos (efluentes mineralizados
No mercado existem vários tipos de biodigestores, porém deve biodigestor que melhor se adequar as características da propriedade em qu o local que esta for instalada. Os biodigestores classificam
abastecimento, podem ser contínuos e intermitentes ou batelada, sendo que no contínuo como o próprio nome já diz, o abastecimento ocorre frequentemente e no intermitente é periodicamente (FONSECA et al, 2009).
O biodigestor do tipo intermitente tem como característica a carga única do sistema de operação do biodigestor, onde toda a carga de dejetos para fermentação é depositada no biodigestor em uma única vez permanecendo f
processo anaeróbico estar totalmente concluído (FERRAZ, MARRIEL, 1980). De acordo com Fonseca
é mais indicado quando da utilização de materiais orgânicos de decomposição lenta e com longo período de produção, como no caso de palha ou forragem misturada a dejetos animais.
Segundo Fonseca
biodigestor com cúpula fixa (modelo chinês), o biodigestor com campânula flutuante (modelo indiano), o tubular (modelo canadense) e o modelo da Marinha Brasileira. A Figura 12 apresenta um modelo genérico do funcionamento do biodigestor.
Figura 12
grandes, posteriormente ocorre a transformação de moléculas de proteínas, gordura e carboidratos em ácido orgânicos e na última fase tem-se a produção de metano. Todo esse processo origina gases (biogás), sólidos decantados no fundo do tanque (biofertilizante), e líquidos (efluentes mineralizados-tratados) (SANTOS, 2013).
existem vários tipos de biodigestores, porém deve biodigestor que melhor se adequar as características da propriedade em qu o local que esta for instalada. Os biodigestores classificam
abastecimento, podem ser contínuos e intermitentes ou batelada, sendo que no contínuo como o próprio nome já diz, o abastecimento ocorre frequentemente e no
periodicamente (FONSECA et al, 2009).
O biodigestor do tipo intermitente tem como característica a carga única do sistema de operação do biodigestor, onde toda a carga de dejetos para fermentação é depositada no biodigestor em uma única vez permanecendo f
processo anaeróbico estar totalmente concluído (FERRAZ, MARRIEL, 1980).
onseca et al (2009) o modelo de abastecimento intermitente é mais indicado quando da utilização de materiais orgânicos de decomposição lenta íodo de produção, como no caso de palha ou forragem misturada a
onseca et al (2009), no Brasil os modelos mais empregados são biodigestor com cúpula fixa (modelo chinês), o biodigestor com campânula flutuante tubular (modelo canadense) e o modelo da Marinha Brasileira. A apresenta um modelo genérico do funcionamento do biodigestor.
- Esquema genérico do funcionamento do biodigestor
Fonte: Engenharia Agrícola, 2015.
grandes, posteriormente ocorre a transformação de moléculas de proteínas, gordura se a produção de metano. antados no fundo do tanque tratados) (SANTOS, 2013). existem vários tipos de biodigestores, porém deve-se buscar o biodigestor que melhor se adequar as características da propriedade em questão ou o local que esta for instalada. Os biodigestores classificam-se, quanto ao abastecimento, podem ser contínuos e intermitentes ou batelada, sendo que no contínuo como o próprio nome já diz, o abastecimento ocorre frequentemente e no
O biodigestor do tipo intermitente tem como característica a carga única do sistema de operação do biodigestor, onde toda a carga de dejetos para fermentação é depositada no biodigestor em uma única vez permanecendo fechada até o processo anaeróbico estar totalmente concluído (FERRAZ, MARRIEL, 1980).
al (2009) o modelo de abastecimento intermitente é mais indicado quando da utilização de materiais orgânicos de decomposição lenta íodo de produção, como no caso de palha ou forragem misturada a
et al (2009), no Brasil os modelos mais empregados são biodigestor com cúpula fixa (modelo chinês), o biodigestor com campânula flutuante tubular (modelo canadense) e o modelo da Marinha Brasileira. A apresenta um modelo genérico do funcionamento do biodigestor.
2.4.1 Modelo Chinês
De acordo com Gaspar (2003) o modelo de biodigestor chinês é construído em alvenaria ficando quase que inteiramente enterrado no solo, como é demonstrado na Figura 13. Funciona normalmente em alta pressão a qual terá uma variação em função do abastecimento de dejetos e da quantidade de biogás consumida.
Os resíduos utilizados para alimentar o biodigestor Chinês deve apresentar uma concentração de ST (sólidos totais) não superior a 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulação do material (DEGANUTTI et al, 2002).
Neste tipo de biodigestor, uma parcela de gás formado na caixa de saída é liberada para a atmosfera, reduzindo parcialmente a pressão interna do gás. Por esse motivo às construções de biodigestores modelo Chinês não são utilizadas para instalações de grande porte (DEGANUTTI et al, 2002).
Figura 13 - Representação tridimensional em corte do biodigestor tipo Chinês
2.4.2 Modelo Indiano
Segundo Deganutti et al (2002), o modelo de biodigestor indiano caracteriza-se por possuir uma campânula como gasômetro, que pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação, ou em selo d'água externo, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras conforme Figura 14. O biodigestor indiano possui pressão de operação constante e seu abastecimento deve ser contínuo.
O fato do gasômetro estar disposto ou sobre o substrato ou sobre o sela d'água reduz as perdas durante o processo de produção de gás (PRATI, 2010).
Semelhante ao modelo Chinês, o substrato deve ser fornecido continuamente, com a concentração de ST não superior a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material (DEGANUTTI et al, 2002).
Figura 14 - Representação tridimensional em corte do biodigestor tipo Indiano
2.4.3 Modelo Canadense
O biodigestor modelo Canadense é um modelo tipo horizontal, com sentido de fluxo tubular, apresentando uma geometria retangular, construído em alvenaria e com largura maior que a profundidade, assim tendo uma grande área de exposição ao sol, que em climas quentes contribui para a produção de biogás pela elevação da temperatura (CASTANHO & ARRUDA, 2008). Este modelo é indicado para grandes volumes de dejetos, pois apresenta um valor financeiro mais acessível para implantação (CUNHA, 2007).
Segundo OLIVEIRA (2012) o modelo canadense é constituído por uma caixa de entrada, para onde são canalizados os dejetos provenientes das unidades criadoras; uma câmara de fermentação subterrânea revestida com material impermeabilizante; campânula superior construída com lona plástica para reter o biogás produzido; uma caixa de saída, por onde passa o efluente final sendo conduzido para uma esterqueira; um registro para saída do biogás e um queimador do biogás, como mostra a Figura 15.
Figura 15 - Representação do biodigestor tipo Canadense
Fonte: OLIVEIRA, 2012.
2.4.4 Modelo da Marinha Brasileira
Na década de 70, o Instituto de Pesquisa da Marinha do Brasil (IPQM) realizou estudos sobre biodigestores e acabou desenvolvendo o modelo conhecido como Biodigestor da Marinha Brasileira (PRATI, 2010).
O modelo da Marinha brasileira possui estrutura simplificada, sua construção é do tipo horizontal com câmara de biodigestão podendo ser construída abaixo do nível do solo ou não, tendo como característica de projeto uma largura maior do que a profundidade do seu reservatório e contendo um gasômetro feito de material plástico, maleável de PVC que infla quando a quantidade de biogás aumenta (FRANÇA, 2008). Para a simplificação da construção deste modelo, o seu reservatório não possui paredes divisórias, como pode ser observado na Figura 16.
Sua utilização encontra maior barreira no que diz respeito ao espaço físico disponível para a instalação, conforme pode ser visto na Figura 17. Por ter uma profundidade pequena, necessita de uma grande área superficial para que consiga armazenar uma grande quantidade de resíduo (OLIVEIRA, 2009).
Esse modelo é mais indicado para projetos industriais e agroindustriais por ser versátil ao uso de diferentes resíduos orgânicos e ser capaz de armazenar grande quantidade de resíduos passíveis a fermentação anaeróbica, produzindo assim uma grande quantidade de biogás e estabilizando os dejetos que podem ser utilizados como biofertilizantes (OLIVEIRA; HIGARASHI, 2006).
Figura 16 - Representação do biodigestor modelo Marinha
Figura 17 - Espaço físico ocupado pelo Biodigestor
Fonte: RORATTO, 2014.
2.5 O BIOFERTILIZANTE
Após o término do processo de decomposição química os dejetos dos bovinos de leite são retirados do biodigestor em forma de biofertilizantes, matéria líquida rica em nutrientes para o solo com grande poder de fertilização (RORATTO, 2014).
Atualmente, o processo de biodigestão anaeróbica a partir de dejetos bovinos é a chave para um sistema de produção mais sustentável, devido à redução do uso de energias convencionais, fertilizantes comerciais, além de fornecer um método altamente eficiente para reciclagem de recursos e fechamento do ciclo de produção (ABBASI, TAUSEEF e ABBASI, 2012).
2.6 CÁLCULO DO FATOR ECONÔMICO
Nesta seção serão apresentados alguns conceitos referentes à área de Engenharia Econômica e Avaliações, a qual será de grande relevância para a análise da viabilidade econômica do projeto de instalação do Sistema Fotovoltaico e o Biogás.
A Engenharia Econômica e Avaliações faz a avaliação sistemática dos aspectos econômicos de soluções propostas para problemas de Engenharia, ou seja, utiliza constantemente a matemática que trata do cálculo de juros, das equivalências de valores, da determinação de valores presentes e futuros (OLIVEIRA, 2000).
Esta área mais especificamente, fornece métodos que permitem tomar decisões referentes à economia (como o investimentos, comparações de
alternativas, aquisição de equipamentos e sistemas) de forma a reduzir custos e potencializar benefícios para alguma organização.
Segundo Santos (2001) às decisões de investimentos são importantes para a empresa porque envolvem valores significativos e geralmente têm um alcance de longo prazo.
Dentro da gama de métodos que se utiliza nesta área, em específico neste trabalho, serão utilizados os métodos descritos abaixo:
• Payback ou Tempo de recuperação do Capital (PB): este método
calcula o investimento total e a economia que o investimento proporcionará por ano. É utilizado para analisar o tempo que o benefício se iguala ao investimento.
• Valor Presente Líquido (VPL): determina o valor presente de uma série de pagamentos futuros descontados a uma taxa de juros apropriada, menos o custo de capital estipulada. Usado normalmente para análises de retorno de projetos ou valoração de empresas.
• Taxa Interna de Retorno (TIR): é a fórmula que calcula a taxa de desconto que teria um determinado fluxo de caixa para igualar a zero seu Valor Presente Líquido (VPL). em outras palavras, ela mede a rentabilidade pela qual o capital está sendo remunerado em um determinado período de tempo, ou ainda, quanto maior a TIR, melhor e mais lucrativo será o projeto ou novo negócio. Também é utilizado para valoração de empresas ou análises de retorno de projetos.
3 DIMENSIONAMENTO DAS FONTES RENOVÁVEIS
Neste capítulo, se tem por objetivo fazer um estudo de viabilidade econômica para uma pequena propriedade rural como padrão produtivo da região do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, a qual apresenta um potencial para exploração da energia fotovoltaica e biogás aplicada ao seu processo produtivo. Para alcançar este objetivo, será apresentada a metodologia de cálculo, que será realizada para indicar se há viabilidade econômica para implementação ou não do projeto.
3.1 ESCOLHA DO LOCAL DO ESTUDO
O projeto será feito no interior do município de Ijuí, na Linha Seis Leste Vila Floresta e a Figura 18 representa a propriedade em questão. Esta escolha se deu pelo duplo potencial da propriedade, pois além do aproveitamento da aquisição facilitada do esterco provindo dos 100 bovinos de leite em confinamento que é a matéria prima do biogás, a cobertura do galpão que será analisado para a colocação das placas solares é justamente a que abriga todos esses animais, o qual tem uma área equivalente a 275 m².
Figura 18 - Propriedade Rural em questão
O consumidor em questão é atendido pelo grupo tarifário B2 - 380 Volts, o preço do kWh é de R$ 0,25144 para a Classe Rural - Agropecuária. A demanda mensal média durante um ano é de 1.729,25 kWh, a qual condiz apenas com o consumo das unidades consumidoras da casa do proprietário e tambo de leite.
3.2 DIMENSIONAMENTO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA
3.2.1 Análise das condições prediais do local
Para um dimensionamento correto, com o maior rendimento possível, é necessário uma análise do local onde será instalado o sistema de geração fotovoltaica, o que requer um levantamento detalhado do local da instalação antes de se realizar o projeto, verificando dados técnicos e específicos, a fim de evitar futuros erros de projeto.
A escolha dessa edificação se deu pelo duplo potencial da propriedade rural, a qual, além de utilizar o esterco dos animais em confinamento como matéria prima para o biogás, irá aproveitar outra fonte alternativa de geração de energia elétrica, que será através da implantação de células fotovoltaicas na cobertura desse galpão de grande porte para conversão direta da luz solar em eletricidade.
O estudo em si irá verificar a viabilidade econômica dessa alternativa, indicando se a energia gerada pelas células fotovoltaicas e o biogás são suficientes para tornar a propriedade autônoma em termos de energia, ou injetar esta energia na rede elétrica gerando bonificações com descontos ou créditos à propriedade.
Esse galpão possui apenas um pavimento destino apenas e exclusivamente para o confinamento de 100 bovinos de leite, e atualmente possui uma área de 275 m². Esta edificação possui a sua fachada frontal orientada para o Norte e a parte traseira para o Sul, possui 25 metros de comprimento e 11 metros de largura. A Figura 19 apresenta o galpão nos atuais.
O imóvel existente possui cobertura em telhas duas águas (caimentos), com uma inclinação de da Equação 1. A parte frontal
totalmente favorável para a intuito de na localidade. A Figura 20
dimensões e a inclinação do
Figura 19 - Edificação nos dias Atuais
Fonte: Autoria própria
existente possui cobertura em telhas de Brasilit
duas águas (caimentos), com uma inclinação de 20°, demonstrado conforme
frontal da cobertura do galpão é voltada para direção Norte, totalmente favorável para a intuito de absorver o máximo de energia solar incidente 20 apresenta o corte transversal da edificação mostrando as dimensões e a inclinação do telhado.
Figura 20 - Corte do telhado do Galpão
Fonte: Autoria própria
rasilit, sendo dividido em °, demonstrado conforme cálculo é voltada para direção Norte, absorver o máximo de energia solar incidente o corte transversal da edificação mostrando as
A Equação 1 demonstra através de cálculo utilizando uma relação trigonométrica, onde é definido o ângulo de inclinação do telhado, com a razão entre a base e altura da cobertura (CERVI, BINS e DECKERT).
= H
IJK
ℎ
M N
(1)Onde:
= ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico (°);
h
= altura (m);l
= comprimento (m).= H
IJK
2
5,5 N
= 20°
Será considerado uma inclinação da cobertura de
= 20°.
3.2.2 Determinação da Radiação Solar
Para calcular a potência gerada no sistema fotovoltaico, é necessário estimar os níveis de irradiância local, a qual pode ser consultada em bases de dados solarimétricos confiáveis, como:
• Atlas Brasileiro;
• Atlas Solarimétrico do Brasil;
• Dados de satélites meteorológicos do SWERA;
• Programa SunDATA desenvolvido pelo CEPEL;
• Software Radiasol 2 desenvolvido pela UFGRS;
Para este trabalho foi escolhido os dados de satélite meteorológicos do SWERA. O projeto SWERA tem por interesse fundamental criar uma base de dados de alta confiabilidade e qualidade, realizando assim o cálculo da irradiância de um local a partir da interpolação de medições previamente realizadas nos locais mais próximos ao escolhido.
Através dos dados obtidos no Projeto SWERA a Figura 21 apresenta os valores de irradiação solar diária média em kWh/m².dia, de locais nas imediações de Ijuí.
Figura 21 - Irradiação solar na cidade de Panambi
Fonte: CRESESB, 2016.
A simulação fornece valores de irradiação solar convertidos do plano horizontal para planos inclinados com três diferentes ângulos de inclinação em relação ao plano horizontal:
• Ângulo igual à latitude;
• Ângulo que fornece o maior valor médio diário anual de irradiação solar;
• Ângulo que fornece o maior valor mínimo diário anual de irradiação solar.
A escolha de uma dessas inclinações depende principalmente da atividade do consumidor e dos requisitos do projeto. Em geral, o valor da latitude local é usado como ângulo de inclinação do módulo fotovoltaico.
O ângulo com maior valor mínimo mensal de irradiação solar costuma ser usado em situações onde o fornecimento contínuo de energia elétrica é crítico e por isso procura-se minimizar o risco de falta de energia.
Já o ângulo com a maior média diária anual de irradiação solar é usado em casos de aplicações de sistemas fotovoltaicos conectadas a rede de distribuição dentro do Sistema de Compensação de Energia, definido pela Resolução Normativa da Aneel nº 482/2012 e atualizada em 2016 pela 687.
Na Figura 21, são mostrados em azul o valor da maior irradiação diária média mensal (Máximo), em vermelho o valor da menor irradiação diária média mensal (Mínimo), o Delta é a diferença entre a máxima e a mínima, e a média da irradiação diária média anual, como pode ser observado na Figura 22.
