AVALIAÇÃO DE SISTEMAS ALTERNATIVOS PARA GERAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA E TÉRMICA: UM ESTUDO DE CASO NO
RESTAURANTE UNIVERSITÁRIO DA UNIVERSIDADE FEDERAL
RURAL DA AMAZÔNIA (UFRA) – PA
Alternative Systems Assessment to Electricity and Thermal Generation: a Case Study in
University Restaurant at University of Rural Federal Amazon (UFRA) - PA
Ricardo Marino Kühl1
Gilmara Maureline Teles da Silva de Oliveira2 Rafael Ninno Muniz1
Brigida Ramati Pereira da Rocha1,4 José Alberto Silva de Sá3,4
ABSTRACT
The new development model, based on sustainability, indicates new directions for all nations, therefore Brazil search incessantly for alternative energies, derived from renewable energy sources due to the intense exploitation resulting oil energy sources. Consequently, this paper proposes the evaluation of alternative systems (solar, wind and biomass) to supply the energy demanded from UFRA’s restaurant. The case study attempts to survey solar, wind and biomass potential. Concerning the multiple present technologies aiming transform biomass to energy, gasification is an alternative socially and economically viable. Comparing the chosen technologies, biomass results demonstrated competitive edge, with generation cost of R$ 0.2433 per kWh, and feasibility due to biomass volume, available in Montese’s neighborhood. Meanwhile, photovoltaic system results reveals a generation cost of R$ 0.2688 per kWh, where technologies cost were responsible for price rises, despite the highlighted potential in the region. However, wind energy exhibit a low incidence of winds attesting the impossibility to build a wind farm. The economic analysis of biomass and photovoltaic systems through the NPV, IRR and cost-benefit ratio, attested economic viability. Regarding the payback period, biomass system recover the investment in 5.34 years while PV system recovers in 12.94 years.
Keywords: Açai pip, Biomass, Gasification, Renewable Energy.
1 Instituto Tecnológico (ITEC). Universidade Federal do Pará – UFPA.
2 Instituto de Ciências Agrárias (ICA). Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA. 3 Centro de Ciências Naturais e Tecnologia (CCNT). Universidade do Estado do Pará – UEPA. 4 Centro Gestor e Operacional do Sistema de Proteção da Amazônia – CENSIPAM.
*Instituto Tecnológico. Programa de Pós Graduação de Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Pará – UFPA. Rua Augusto Corrêa, s/n, Guamá. Belém, Pará. CEP 66075-110. Brasil. r.kuhl@hotmail.com/ricardomarinokuhl@gmail.com
RESUMO
O novo modelo desenvolvimentista proposto, alicerçado na sustentabilidade, indica novos rumos para todas as nações do globo, desta forma o Brasil busca incessantemente por alternativas energéticas advindas de fontes renováveis de energia. Neste sentido, este trabalho propõe a avaliação de sistemas alternativos (solar, eólico e de biomassa) para suprir a demanda energética do restaurante universitário da UFRA. O estudo de caso buscou realizar um levantamento do potencial energético das três alternativas citadas. No que tange as inúmeras possibilidades de tecnologias existentes para o aproveitamento energético da biomassa, a gaseificação evidencia-se como alternativa viável social e economicamente. Ao comparar as tecnologias escolhidas, os resultados auferidos a biomassa mostraram-se mais competitivos, com custo de geração de 0.2433 R$/kWh, e viabilidade devido a quantidade de biomassa disponível no bairro da Montese. Os resultados do sistema fotovoltaico apresentaram um custo de geração de R$ 0.2688/kWh, no qual o custo da tecnologia foi considerado o fator encarecedor, apesar do elevado potencial destacado na região. A energia eólica, por sua vez, demonstrou que as baixas incidências de ventos inviabilizam a construção de um parque eólico. A análise econômica dos sistemas a base de biomassa e fotovoltaico, por meio do VPL, TIR e relação benefício-custo, atestaram a viabilidade econômica dos sistemas. No que diz respeito ao tempo de retorno do investimento, a biomassa recupera o valor investido em aproximadamente 5.34 anos, enquanto o sistema solar fotovoltaico se paga em aproximadamente 12.94 anos.
Palavras chave: Biomassa, Caroço de Açaí, Energias Renováveis, Gaseificação.
Introdução
No que diz respeito ao novo modelo desenvolvimentista alicerçado pelo tripé proposto pelo conceito de sustentabilidade, elenca-se como primordial adotar uma ótica diferente no tocante ao consumo e a geração de resíduos, fator este, debatido internacionalmente e que aufere importância dia após dia. Não obstante, o Brasil busca incessantemente por alternativas energéticas advindas de fontes renováveis de energia, bem como destinos ambientalmente seguros para os resíduos. Alteia-se, dentre os instrumentos legais da PNRS (Lei Federal nº 12.305/2010) o incentivo para aproveitamento energético de gases gerados e resíduos, desde que possuam viabilidade técnica e ambiental comprovada.
Neste viés, vislumbrando a busca por alternativas energéticas, o aproveitamento de resíduos para a produção de energia, e a diminuição da quantidade de resíduos destinados a lixões e aterros sanitários, este trabalho propõe a utilização de resíduos orgânicos para a geração de energia térmica e elétrica, através do processo de gaseificação. Usufruindo o caroço de açaí, fruto muito difundido e consumido na região Norte do Brasil, como combustível para alimentar um gaseificador, o qual proverá energia térmica e elétrica suficiente para abastecer a demanda do restaurante universitário - RU da Universidade Federal Rural da Amazônia – UFRA.
Este trabalho avaliou alternativas energéticas para o atendimento da demanda de energia térmica e elétrica do RU, da UFRA, no município de Belém, Estado do Pará. Tal avaliação perpassou pelo levantamento do potencial das energias: solar, eólica e de biomassa, pela quantificação da biomassa de caroço de açaí produzida no entorno da universidade, demandada ao abastecimento dos sistemas de geração de energia propostos. No que tange o levantamento econômico, verificou-se o custo médio da energia das tecnologias renováveis, bem como o tempo de retorno do investimento. Posteriormente compararam-se os custos obtidos, propondo a melhor aplicação tecnológica.
Metodologia
A área de estudo, representada pelo RU, da UFRA, teve o diagnóstico do potencial energético embasado em pesquisa bibliográfica, por meio do Atlas Brasileiro de Energia Solar (Pereira, 2006); Atlas do Potencial Eólico Brasileiro (De Sá, et al., 2001); Livro Biomassa para energia (Cortez, Silva Lora, Gómez, 2008); Projeto MEAPA (Rocha, 1999). O levantamento dos dados relativos ao consumo de energia elétrica pelo RU ocorreu mediante a verificação in loco da potência individual de cada equipamento, enquanto para avaliar o volume de gás GLP 45 consumido pelo RU, solicitou-se a administração do mesmo, a movimentação do referido material, no período de 2013.
Ao decidir abordar a biomassa como uma das tipologias de alternativa energética deste trabalho, surgiu à ideia da utilização dos resíduos de açaí (caroço) para a geração de energia, por meio da tecnologia da gaseificação. Visando comprovar a eficiência e eficácia, bem como demonstrar a viabilidade do sistema, propôs-se um estudo no bairro Montese, o qual a UFRA encontra-se inserido, para avaliar capacidade geradora do bairro. Mapeou-se os pontos de venda no bairro, utilizando um GPS Oregon 650 da Garmin, visando: 1) traçar rotas dos vendedores de açaí até a UFRA; 2) calcular o custo do transporte entre estes. Este procedimento foi realizado devido à necessidade de incorporar o custo do transporte dos “produtores dos caroços”, até o gaseificador (UFRA), para obter um custo de implantação do sistema de gaseificação mais palpável.
No que tange os custos do gaseificador, estimaram-se os custos de investimento, combustível, operação e manutenção, realizou-se também o cálculo do custo médio da energia produzida (R$/kWh), bem como o valor presente líquido (VPL), a taxa interna de retorno (TIR) e a relação benefício-custo (Rb/c), utilizou-se Santana (2005) como base para realizar a avaliação econômica. A Equação 1, foi utilizada para o cálculo do VPL, a Equação 2, para calcular a TIR e a Equação 3 para o cálculo da relação benefício-custo.
Equação 1 Equação 2
Equação 3
Em que:
VPL = Valor presente líquido do projeto de investimento; = fluxo de custo do projeto no ano t;
I = Investimento ou capital aplicado; n = número de anos do projeto (t = 1, ..., n)
= fluxo de receitas do projeto no ano t; = taxa de juros de longo prazo.
A análise do VPL, de acordo com Santana (2005, p. 69) informa que “no Brasil existe a taxa de juros de longo prazo, a TJLP, que gira ao redor dos 12% ao ano e pode ser tomada como referência para esse tipo de análise”. O valor obtido por meio da Equação 1, refletirá os custos de oportunidade sobre o capital investidos no projeto, isto é, sobre os valores obtidos será possível inferir que para um VPL > 0, o projeto é considerado viável economicamente, pois as receitas foram superiores às despesas.
A taxa interna de retorno (TIR), é um critério que avalia a viabilidade econômica de um projeto. A TIR pode ser calculada através da Equação 2, considerando VPL igual a zero. O empreendimento, para ser considerado viável, deve obter uma TIR superior à taxa de juros que reflete o custo de oportunidade do capital (Santana, 2005). A relação benefício-custo de um projeto, é dada pela razão entre a soma do fluxo de receitas e a soma do fluxo de custos, ambas atualizadas pela taxa de juros TJLP (Equação 3). Sobre a Rb/c é possível inferir que para todo Rb/c>1, o somatório das receitas atualizadas foi maior do que os custos atualizados somados, sendo assim o projeto apresenta viabilidade econômica (Santana, 2005).
Resultados e Discussões Potencial Energético da UFRA
O potencial de energia solar da área de estudo, de acordo com o Atlas Brasileiro de Energia Solar, aponta uma média anual de 4.90 a 5.60 kWh/m². O projeto MEAPA (Rocha, 1999), ao avaliar a radiação global anual recebida pelo município de Belém, constatou que a região possui um potencial de 4.0 a 5.0 kWh/m²/dia. No que diz respeito ao potencial eólico da área de estudo, caracteriza-se por ventos de 3.5 a 5.5 m/s para uma altura de 50 metros (De Sá et al., 2001), enquanto os dados obtidos pelo projeto MEAPA, em 1999, apontam ventos com velocidade de 4.0 a 5.0 m/s para uma altura de 30 metros, desta forma pode-se inferir que, na área há um potencial eólico diminuto, devido à baixa incidência de ventos.
Para a área de estudo, considerou-se a quantidade de açaí produzida pelo município de Belém. Obtiveram-se, junto ao IBGE (2012), as informações sobre Produção da Extração Vegetal e da Silvicultura, para o período de 2000 a 2012, e constatou-se uma produção de 460 toneladas de açaí, para o último ano verificado. É digno que se ressalte que a biomassa utilizada para a geração de energia advinda do açaí, são o cacho, a folha e o caroço. Este estudo utilizará apenas o caroço como base para a produção energética (térmica e elétrica). Segundo Chaves & Pechnik (1948), corroborado por Silva, et al. (2004) e Farinas et al. (2009), 83% da massa do açaí corresponde ao caroço, desta forma, vislumbra-se a possibilidade da utilização desta matéria prima para tal fim, uma vez que o uso desta acarretaria na diminuição do volume de resíduos gerados.
Tabela 1. Recurso energético e respectivo potencial estimado.
RECURSO ENERGÉTICO POTENCIAL ESTIMADO
Solar (Irradiação) 4.90 a 5.60 kWh/m²
Eólico (velocidade do vento) 3.5 a 5.5 m/s
Biomassa (caroços de açaí) 560 kg/dia*
* Este valor é referente a produção de açaí nos pontos de venda visitados.
Consumo de Energia Elétrica e Térmica no RU da UFRA
No que diz respeito ao consumo de energia elétrica pelo RU, a verificação in loco da potência individual de cada equipamento, evidenciou uma potência instalada de 59.33 kW, tal valor foi selecionado para que não se subestime o consumo de energia elétrica. Referindo-se ao consumo de gás de acordo com a administração do RU, anualmente são utilizados em torno de 70 botijões de gás. Através deste dado calculou-se o consumo médio de gás consumido, levando em consideração que um botijão de 45 kg de GLP, possui um volume de 0,108 m³ de gás (NPT 28/2012), totalizando assim, um consumo anual de 7.56 m³ de gás GLP 45 kg.
Dimensionamento do Gaseificador
Objetivando efetuar um dimensionamento que supra a real necessidade do RU, o valor escolhido para alicerçar este processo foi obtido com base em 70% da potência máxima instalada. Isso resulta num valor de 41.531 kW. Para fins de simplificação no cálculo do dimensionamento, propõe-se um sistema de gaseificação composto por um gaseificador co-corrente, modelo de topo aberto com 40 kW de potência instalada, com duas saídas, uma para suprir a demanda térmica e outra para suprir a demanda elétrica (com conexão entre seu grupo gerador e a rede elétrica convencional, resultando numa cogeração de energia).
A quantidade de biomassa, caroço de açaí, a ser utilizada relaciona-se diretamente ao porte do gaseificador, visto que para gerar 01 kWh, é necessário alimentar o sistema com aproximadamente 01 kg/h de biomassa (Rocha et al., 2000; Muniz & Rocha, 2013). No caso em questão, a potência de saída é de 40 kW, deste modo para uma hora de funcionamento necessita-se de 38 a 42 kg de biomassa seca, isto é, com umidade menor que 15%. Tendo em vista que as atividades do RU iniciam às 07 horas e terminam às 15 horas, contemplam-se 08 horas de funcionamento, assim sendo a quantidade necessária de biomassa para suprir o consumo do RU, é de 320 kg/dia, perfazendo uma quantidade mensal de 9.6 t/mês, o que corresponde a 115.2 t/ano, gerando assim ao ano 115.2MWh.
Objetivando ratificar a viabilidade demonstrada para o bairro da Montese por Padilha, Canto, Rendeiro (2006), visitaram-se alguns pontos de venda de açaí no bairro, abordando os vendedores sobre a quantidade de sacas de resíduos, estes locais foram georreferenciados, para analisar a rota de coleta, bem como contabilizar os custos inerentes ao transporte (combustível, salário e encargos trabalhistas do motorista/coletor da biomassa). Os locais visitados foram analisados de acordo com a proximidade do campus da UFRA, visando minimizar custos de transporte, a somatória de resíduos evidencia 560 kg de caroços, contemplados com 03 pontos de venda visitados. Estes dados, juntamente com os dados fornecidos por Padilha, Canto, Rendeiro (2006) alicerçam a viabilidade deste resíduo para fins energéticos.
Análise Econômica dos Sistemas de Energia
Com a metodologia aplicada para o cálculo do valor presente líquido (VPL), é possível mensurar o lucro ou prejuízo líquido de um projeto antes de sua implantação. Vislumbrando realizar a análise dos sistemas adotou-se uma taxa de juros de 12% ao ano, valor este geralmente empregado no mercado financeiro, sendo considerada a taxa mínima de atratividade (im), isto é o custo de oportunidade do capital a investir nesse projeto.
Ao adotar a taxa de juros de 12% aa, e um período de 20 anos, de vida útil, calculou-se para o sistema de biomassa um VPL de R$ 147 381.98, e para o sistema fotovoltaico um VPL de R$ 94 389.55, de acordo com Santana (2005, p. 69), ambos os sistemas são considerados viáveis economicamente para todo VPL maior que zero. Os fluxos de caixa de ambos os sistemas evidenciam-se na Figura 1. Obteve-se também os custos de geração de acordo com cada tecnologia, o gaseificador obteve um custo de R$ 0.2433/kW, para o sistema fotovoltaico calculou-se 0.2663 R$/kW, e para o sistema convencional paga-se R$ 0.2072/kW.
Figura 1. Fluxo de Caixa do Gaseificador (a); e Fluxo de Caixa do Sistema Fotovoltaico (b).
Receitas = R$ 94.788,30 Custos = R$ 54.872,42 Taxa = 12%aa VPL(12%) = R$ 147 381.98 (a) Receitas = R$ 94.788,30 Custos = R$ 5.762,87 Taxa = 12%aa VPL(12%) = R$ 94 389.55 (b)
Outro importante parâmetro para análise econômica é a taxa interna de retorno, cujo objetivo é tornar “o fluxo de receitas igual ao fluxo de custos, ou seja, torna o VPL nulo. [...] Portanto, para ser considerado viável, a TIR deve ser superior à taxa de juros que reflete o custo de oportunidade do capital, no caso a TJLP = 12%aa” (Santana, 2005, p. 70). Embasando-se no supracitado, calculou-se a TIR, para o gaseificador e para o sistema fotovoltaico, obtendo respectivamente 26.22% e 14.58%, atestando a viabilidade da instalação de ambos sistemas no RU da UFRA, comprovando sua rentabilidade.
Analisou-se a relação benefício-custo, dos investimentos, no qual os benefícios são as receitas anuais enquanto os custos são os custos de operação e manutenção anuais acrescidos do custo de investimento de implantação. Os valores calculados para a razão benefício-custo permitem avaliar que a uma taxa de 12% ao ano o gaseificador oferece um benefício líquido de R$ 708 015.86, superior ao custo líquido de R$ 560 633.89, proporcionando uma razão benefício-custo de 1.26. O sistema fotovoltaico, também prevê um benefício líquido de R$ 708 015.86, no entanto, seu custo líquido é de R$ 613 626.34, apresentando uma relação benefício-custo de 1,15. De acordo com Santana (2005, p. 74) uma relação benefício-custo superior a 1, “significa que a soma das receitas atualizadas é maior do que a soma dos custos atualizados à taxa i”, atestando a viabilidade econômica do projeto.
Visando obter o valor de payback simples, deve-se calcular utilizar a Equação 2, onde o VPL foi considerado zero, deste modo, calcula-se ano a ano o valor retornado pelo sistema, somando os valores obtidos, no caso do sistema de gaseificação de caroço de açaí, o valor investido é recuperado em 5.34 anos, enquanto o sistema fotovoltaico o
payback ocorre em 12.94 anos.
O estudo verificou a energia da biomassa como a mais promissora, devido à disponibilidade de recursos naturais (caroços de açaí). No tocante a energia solar, mesmo com o grande potencial diagnosticado, o custo da tecnologia ainda é considerado o maior impeditivo. A energia eólica teve como pontos contrários a sua instalação, a necessidade de uma grande área para implantação dos aerogeradores, e principalmente às baixas incidências de ventos na região. A biomassa mostrou-se mais competitiva, com menor custo de geração (0.2433 R$/kWh), enquanto o sistema fotovoltaico evidenciou um custo mais elevado (0.2683 R$/kWh.). O sistema convencional obteve o menor valor para o custo de geração com 0.2072 R$/kWh, todavia salienta-se que este valor não contempla custos com aquisição e instalação. A análise econômica (VPL, TIR e Rb/c) demonstrou a viabilidade econômica da implantação do gaseificador, bem como a do sistema fotovoltaico. O tempo de retorno do investimento (payback) calculado para o gaseificador foi de 06 anos, enquanto o payback do sistema fotovoltaico foi calculado em 14 anos.
Os resultados obtidos para os custos de geração corroboram com os resultados divulgados por Muniz (2013) e Muniz & Rocha (2013). Os benefícios observados para o sistema a biomassa encontram-se não somente no setor econômico, mas também na esfera ambiental e social, considerando que esse recurso energético natural promove o saneamento ambiental, reduzindo a quantidade de resíduos destinados a lixões e aterros. A utilização de fontes renováveis de energia, o aproveitamento energético de resíduos, apresentam-se como soluções pontuais, sustentáveis e adequadas às demandas atuais.
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