avaliação da qualidade da energia elétrica produzida por grupo gerador movido a biogás
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Avaliação da Qualidade da Energia Elétrica Produzida por Grupo Gerador Movido a Biogás
R. Nishimura, P. I. Koltermann, V. M. Pereira, J. M. Ortega, K. C. G. de Souza
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Cidade Universitária s/n, Caixa Postal 549, CEP 79070-900, Campo Grande, MS
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
L. F. Dotto
Diagnose Serviços de Assistência Técnica Ltda., R. Alegrete, 1547, Bairro Coronel Antonino, CEP 79010-800, Campo Grande, MS
Abstract-The treatment of swine manure using anaerobic digesters provides the formation of biogas, a fuel gas composed, mainly, of methane and carbon dioxide. One form of exploitation of biogas is its use in power generation. This paper aims to evaluate the performance of an engine-generator set powered by biogas regarding the power quality under various loading conditions. Using a power analyzer, were recorded electrical quantities like voltage, current, harmonic distortion and frequency. The results showed that the power quality is satisfactory for the service to local facilities. However, the variations in power frequency detected may hinder the connection to the distribution network to supply overbalance energy to the concessionaire.
Keywords-Biogas, Alternative Energy, Power Generation, Power Quality, Pig Farming.
Resumo-O tratamento dos dejetos da suinocultura através de biodigestores propicia a formação de biogás, gás combustível composto, majoritariamente, por metano e dióxido de carbono. Uma das formas de aproveitamento do biogás é a sua utilização para a geração de energia elétrica. Este trabalho se propõe a avaliar o desempenho de um grupo gerador a biogás quanto à qualidade de energia elétrica gerada sob diversas condições de carga. Utilizando-se um analisador de energia, foram registradas grandezas elétricas como tensão, corrente, taxas de distorção harmônica e freqüência. Os resultados obtidos demonstraram que a qualidade da energia elétrica gerada é satisfatória para o atendimento às instalações locais. Entretanto, as variações de frequência detectadas podem dificultar a conexão à rede de distribuição para fornecimento de energia elétrica excedente à concessionária.
Palavras-chave-Biogás, Fontes Alternativas de Energia, Geração de Energia Elétrica, Qualidade de Energia Elétrica, Suinocultura.
I. INTRODUÇÃO
Até a década de 1970, os dejetos provenientes da suinocultura não representavam grande problema, pois o número de animais era reduzido e os dejetos eram utilizados para a adubação do solo. O aumento da demanda por carne suína no mercado, tanto interno como externo, promoveu a introdução da suinocultura intensiva e confinada, permitindo um grande crescimento na produtividade. A conseqüência
deste aumento de produção é a geração de grandes quantidades de dejetos que, muitas vezes, são inadequadamente manejados, tornando-se numa das principais fontes poluidoras do solo e dos mananciais de água.
A maioria das suinoculturas, por não possuir equipamentos e construções adequados para o armazenamento e tratamento do dejeto, induz o seu lançamento em rios e cursos d’água naturais, promovendo assim, em muitos casos, a deterioração destes ambientes. Cria-se então a necessidade de alternativas que permitam minimizar o problema e, ainda, agregar algum valor aos dejetos e promover o saneamento ambiental. Nesse sentido, a adoção de instalações adequadamente projetadas para a ocorrência dos processos de digestão anaeróbia da matéria orgânica, conhecidas como biodigestores, apresenta-se como uma alternativa interessante para a mitigação desses problemas ambientais.
A utilização de biodigestores apresenta como vantagens a agregação de valor econômico dos dejetos, devido ao aproveitamento de biofertilizante e do biogás, dois subprodutos gerados no tratamento. O biogás pode ser utilizado como fonte energética em diversas alternativas de geração de eletricidade e calor, possibilitando a substituição de combustíveis de origem fóssil. As vantagens adicionais da utilização de biodigestores são a redução da emissão de metano (CH4), que normalmente seria emitido para a atmosfera pelas esterqueiras e lagoas de estabilização e a diminuição da poluição do solo e dos recursos hídricos.
Optando-se pelo aproveitamento do biogás para geração de eletricidade, pode-se obter uma redução de custos considerável com energia elétrica, aumentando-se a independência da propriedade em relação a fontes externas de energia, ou até mesmo a auto-sustentabilidade energética.
No entanto, a utilização de fontes alternativas de energia, apesar de atrativas, pode resultar em problemas relacionados à qualidade de energia elétrica se não forem estudadas e implementadas de forma conveniente.
Problemas de qualidade de energia elétrica podem conduzir a um mau funcionamento de equipamentos elétricos, reduzindo a eficiência dos mesmos, e até danificá-los.
Este trabalho objetiva realizar uma avaliação da qualidade da energia gerada por meio da utilização de um grupo motor-gerador movido a biogás quanto à regulação da tensão, fator de desequilíbrio de tensão, fator de potência, freqüência e conteúdo harmônico da energia elétrica gerada em diferentes condições de carga.
II. O BIOGÁS
O biogás é produto da digestão anaeróbia de resíduos orgânicos, como esterco de animais, lixo doméstico, esgoto, resíduos agrícolas e plantas aquáticas. É composto por uma mistura de gases, com cerca de 50% a 80% de metano (CH4) e de 20% a 40% de dióxido de carbono (CO2). É formado também em quantidade muito reduzida por outros gases como hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), gás sulfídrico (H2S), monóxido de carbono (CO) e amônia (NH3). A composição do biogás varia de acordo com o resíduo utilizado, condições climáticas e características do biodigestor, entre outros.
O biogás possui um poder calorífico de 5.000 a 7.000 kcal/m³. Com a remoção do dióxido de carbono (CO2), o poder calorífico do biogás pode atingir o valor de 12.000 kcal/m³ [1].
Devido à presença de gás sulfídrico (gás tóxico, corrosivo e de odor desagradável) em sua composição, o biogás deve passar por um tratamento antes de sua utilização. Uma maneira de remover o gás sulfídrico é através da utilização de esponjas ou limalhas de ferro e resíduos de serragem da madeira, formando assim um filtro purificador. A serragem serve para absorver a umidade e evitar formação de blocos de ferro no interior do filtro, os quais impediriam a circulação do biogás dentro do purificador. O ferro metálico em contato com o gás sulfídrico reage formando sulfetos de ferro. Após certo período, todo o ferro é transformado em sulfeto, assim o filtro perde sua capacidade de purificação, sendo necessário renovar os elementos do purificador [2].
III. GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BIOGÁS
As microturbinas a gás e os motores de combustão interna de ciclo Otto são as tecnologias mais utilizadas para esse tipo de conversão energética, porém, a utilização de microturbinas ainda apresenta custos elevados e o seu tempo de vida útil operando com biogás ainda é baixo. Portanto, os motores de combustão interna são os mais adotados.
Existem basicamente dois tipos de motores de combustão interna: ciclo Otto e ciclo Diesel. Os motores de ciclo Otto caracterizam-se pela combustão da mistura ar-combustível ser provocada por uma centelha produzida pela vela de ignição, enquanto que nos motores de ciclo Diesel, a combustão ocorre em função da compressão da mistura.
Os motores de ciclo Otto necessitam de pequenas modificações para poderem utilizar o biogás como combustível. Entretanto, os motores de ciclo Otto não são os mais indicados para geração de eletricidade. O mais apropriado é o motor de ciclo Diesel, pela sua maior robustez e menor custo para uma mesma potência, comparado ao de ciclo Otto. A introdução de biogás em motores de ciclo
Diesel pode ser obtida mediante a tecnologia conhecida como ottolização.
Na dita ottolização grandes modificações dos motores, originalmente Diesel, são necessárias. Todo o sistema de injeção de diesel é retirado e, em seu lugar, instalam-se um sistema de carburação do gás ao ar de admissão e o sistema elétrico com velas para a ignição, que passa a ser feita por centelha. Também são necessárias modificações nos cabeçotes dos motores para a adequação de sua taxa de compressão, pois motores do ciclo Otto trabalham com taxas de compressão inferiores aos motores Diesel. Não são raras perdas de potência e desempenho de um motor ottolizado [3].
Outra alternativa é a utilização de motores Diesel operando no modo bicombustível (diesel e biogás simultaneamente). Neste caso, o biogás é introduzido juntamente com o ar na fase de admissão, e a ignição é efetuada por uma pequena injeção-piloto de diesel para proporcionar a ignição por compressão, dando início à combustão do gás que é admitido no cilindro pelo coletor de admissão [4]. Esse sistema apresenta a vantagem de não exigir modificações no motor.
A relação de equivalência de energia entre a energia elétrica e o biogás é de 6,5 kWh/m³ [5]. Porém, a conversão do biogás em eletricidade utilizando grupos geradores (motor de combustão interna) possui um rendimento médio de 25%, o que reduz a equivalência para 1,62 kWh/m³.
IV. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
A. Distorções harmônicas
As perturbações harmônicas de tensão e de corrente podem ser quantificadas através de suas taxas de distorção. As distorções harmônicas totais de tensão (DHTV) e de corrente (DHTI) são dadas pelas expressões (1) e (2), respectivamente.
1
2
2
V
V
DHTh
h
V
∑∞
== (1)
1
2
2
I
I
DHT h
h
I
∑∞
== (2)
Onde: Vh = valor eficaz da tensão harmônica (V); V1 = valor da tensão fundamental (V); Ih = valor eficaz da corrente harmônica (A); I1 = valor da corrente fundamental (A); h = ordem harmônica.
O principal efeito das distorções harmônicas em motores síncronos e de indução é o aquecimento devido a perdas no ferro e no cobre em frequências harmônicas. Afetam também a eficiência e o torque das máquinas elétricas [6].
Para sistemas com nível de tensão até 69 kV a DTHV máxima deve ser de 5%. Segundo o Módulo 8 do PRODIST
– Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, a DHTV para tensões nominais abaixo de 1 kV deve ser inferior a 10% [7].
O limite para a DHTI é de 10% segundo a norma BS EN 50160 [8].
B. Desequilíbrio de Tensão
O desequilíbrio de tensão em um sistema elétrico trifásico é uma condição na qual as fases apresentam tensão com módulos diferentes entre si, ou defasagem angular entre as fases diferentes de 120° elétricos ou, ainda, as duas condições simultaneamente.
A presença de cargas trifásicas desequilibradas ou cargas monofásicas distribuídas inadequadamente em um sistema trifásico causa um desequilíbrio de tensão, uma vez que as correntes absorvidas nas três fases não são simétricas, isto é, não são iguais em módulo nem tão pouco defasadas de 120°.
Conforme o Módulo 8 do PRODIST [7], o fator de desequilíbrio de tensão (FD) é calculado pela equação (3).
β
β
631
631100%
−+
−−=FD (3)
Sendo:
2222
444
)( acbcab
acbcab
VVV
VVV
++
++=β (4)
O fator de desequilíbrio de tensão máxima admissível é de
2% segundo o Módulo 8 do PRODIST.
C. Variação de Freqüência
Quanto às variações de freqüência, estas devem situar-se entre 56,5 Hz e 66 Hz em condições extremas [7]. As oscilações de freqüência são decorrentes de um desequilíbrio entre o nível de geração e o nível de demanda, sendo mais comuns em sistemas com geração própria quando passam a funcionar na configuração isolada. As oscilações de freqüência podem influenciar no funcionamento de motores elétricos.
V. METODOLOGIA
O grupo gerador a biogás avaliado pertence à Fazenda Rancho Alegre, localizada no município de Campo Grande, Mato Grosso do Sul, o qual alimenta as instalações elétricas de uma fábrica de ração. As cargas que compõem a fábrica de ração são, em sua maioria, motores de indução de diferentes potências utilizados para movimentar secadores e trituradores.
A granja em estudo possui cerca de 2.000 matrizes e produz 42.000 suínos por ano. A propriedade possui três células biodigestoras para fins de tratamento dos dejetos orgânicos.
O aproveitamento do biogás e do biofertilizante na granja elevou a eficiência energética do sistema de produção de 22,5% para 31,7%, considerando as diversas formas de energia envolvidas no processo, tais como a energia presente em combustíveis, lubrificantes, energia elétrica, trabalho
humano, máquinas e construções [9]. O custo mensal com energia elétrica após a introdução do grupo gerador a biogás reduziu de aproximadamente R$ 5.600,00 para R$ 4.300,00, o que representa uma economia de 23%.
A figura 1 ilustra o grupo gerador em estudo.
Fig. 1. Grupo gerador de 100 kVA movido a biogás.
A Tabela I apresenta os dados técnicos do grupo motor-gerador em questão.
TABELA I DADOS TÉCNICOS DO GRUPO MOTOR-GERADOR
Motor 6 cilindros turbo “ottolizado” Gerador Síncrono de 4 polos
Frequência 60 Hz Potência máxima (emergência) 100 kVA (80 kW)
Potência máxima (regime contínuo) 90 kVA (76 kW) Corrente (emergência) 158 A
Corrente (regime contínuo) 131 A Controle de rotação Tipo isócrono
Antes de ser consumido pelo grupo motor-gerador, o
biogás passa por um tratamento prévio para remoção do gás sulfídrico.
Com o intuito de obter o comportamento do grupo gerador sob diversas condições de carga, foi instalado um analisador de energia da marca Embrasul, modelo RE6000, no quadro geral do grupo gerador, conforme mostram as figuras 2 e 3.
O analisador foi configurado para realizar um registro por segundo.
Fig. 2. Analisador de energia instalado no quadro elétrico do grupo gerador.
Fig. 3. Local da medição com analisador de energia.
Após a realização das medições, os dados armazenados na memória do analisador de energia foram salvos em um microcomputador através do ANL 6000, aplicativo que acompanha o equipamento para o processamento dos registros.
O descarregamento dos dados do analisador para o microcomputador é realizado via cabo de rede de 4 pares categoria 5E. O ANL 6000 permite ao usuário escolher quais grandezas devem ser visualizadas na tela, conforme apresenta a figura 4.
Fig. 4. Tela principal do aplicativo ANL 6000.
Os valores das grandezas desejadas (tensão, corrente, taxas de distorção harmônica de corrente e de tensão e frequência) foram salvos, por meio de uma opção do ANL 6000, num arquivo com extensão CSV (comma separated values), o qual pode ser aberto com o software Microsoft Excel.
VI. RESULTADOS
Observando-se o gráfico da figura 5, observa-se a variação da corrente fornecida pelo grupo gerador durante o período da medição. Nota-se que durante alguns minutos o gerador operou a vazio, em que todas as cargas a ele conectadas foram desligadas. No período restante, o grupo gerador operou com corrente próxima ao valor nominal em regime contínuo e, nos minutos finais da medição, observa-se um acréscimo de carga, ultrapassando, em alguns momentos, o valor nominal de corrente do gerador.
Corrente
0
50
100
150
200
250
09:2
4:1
2
09:2
6:1
2
09:2
8:1
2
09:3
0:1
2
09:3
2:1
2
09:3
4:1
2
09:3
6:1
2
09:3
8:1
2
09:4
0:1
2
09:4
2:1
2
09:4
4:1
2
09:4
6:1
2
09:4
8:1
2
09:5
0:1
2
09:5
2:1
2
Horário
Am
pé
res
Fig. 5. Corrente da Fase A fornecida pelo grupo gerador.
A figura 6 apresenta a taxa de distorção harmônica de tensão.
Taxa de Distorção Harmônica de Tensão
0
1
2
3
4
509:2
4:1
2
09:2
6:1
2
09:2
8:1
2
09:3
0:1
2
09:3
2:1
2
09:3
4:1
2
09:3
6:1
2
09:3
8:1
2
09:4
0:1
2
09:4
2:1
2
09:4
4:1
2
09:4
6:1
2
09:4
8:1
2
09:5
0:1
2
09:5
2:1
2
Horário
%
Fig. 6. Taxa de distorção harmônica de tensão.
Observa-se que a taxa de distorção harmônica de tensão manteve-se em torno de 2% quando operando com carga e próximo a 4% na operação a vazio. Estes valores estão abaixo do limite 10% adotado pelo Módulo 8 do PRODIST.
O comportamento da taxa de distorção harmônica de corrente pode ser observado na figura 7.
Taxa de Distorção Harmônica de Corrente
0
1
2
3
4
5
6
7
09:2
4:1
2
09:2
6:1
2
09:2
8:1
2
09:3
0:1
2
09:3
2:1
2
09:3
4:1
2
09:3
6:1
2
09:3
8:1
2
09:4
0:1
2
09:4
2:1
2
09:4
4:1
2
09:4
6:1
2
09:4
8:1
2
09:5
0:1
2
09:5
2:1
2
Horário
%
Fig. 7. Taxa de distorção harmônica de tensão.
Exceto na operação a vazio, a taxa de distorção harmônica de corrente manteve-se entre 1,1% e 6,5%, valores abaixo de 10%, valor máximo admissível estipulado pela norma BS EN 50160 [8].
O gráfico da figura 8 apresenta o comportamento da tensão entre fases durante variações de carga.
Tensões entre Fases
220
225
230
235
240
245
250
09:2
4:1
2
09:2
6:1
2
09:2
8:1
2
09:3
0:1
2
09:3
2:1
2
09:3
4:1
2
09:3
6:1
2
09:3
8:1
2
09:4
0:1
2
09:4
2:1
2
09:4
4:1
2
09:4
6:1
2
09:4
8:1
2
09:5
0:1
2
09:5
2:1
2
Horário
Vo
lts
Tensão A-B Tensão B-C Tensão A-C Fig. 8. Tensões entre fases.
Nota-se que os níveis de tensão mantiveram-se acima do valor nominal de 220 V. Isso se deve ao fato de que os cabos que conduzem energia entre o gerador e a fábrica de ração encontram-se subdimensionados para a atual condição de carga. Dessa forma, os níveis de tensão foram propositalmente regulados para compensar a queda de tensão ao longo do circuito.
Não foram detectadas variações de tensão superiores a 10%, exceto quando a potência fornecida ultrapassou o valor nominal de regime de emergência, ocasião em que a variação de tensão atingiu aproximadamente 11%.
O fator de desequilíbrio de tensão manteve-se abaixo de 2%, conforme pode ser observado no gráfico da figura 9.
Fator de Desequilíbrio
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
09
:24
:12
09
:26
:12
09
:28
:12
09
:30
:12
09
:32
:12
09
:34
:12
09
:36
:12
09
:38
:12
09
:40
:12
09
:42
:12
09
:44
:12
09
:46
:12
09
:48
:12
09
:50
:12
09
:52
:12
Horário
%
Fig. 9. Fator de desequilíbrio de tensão.
O comportamento do fator de potência é exibido pela figura 10.
Fator de Potência
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
10
9:2
4:1
2
09
:26
:12
09
:28
:12
09
:30
:12
09
:32
:12
09
:34
:12
09
:36
:12
09
:38
:12
09
:40
:12
09
:42
:12
09
:44
:12
09
:46
:12
09
:48
:12
09
:50
:12
09
:52
:12
Fig. 10. Fator de potência.
Verifica-se que durante a operação em regime permanente, o fator de potência médio manteve-se próximo a 0,8.
No gráfico da figura 11 verifica-se o comportamento da frequência fornecida pelo grupo gerador.
Frequência
58
59
60
61
62
63
09
:24
:12
09
:26
:12
09
:28
:12
09
:30
:12
09
:32
:12
09
:34
:12
09
:36
:12
09
:38
:12
09
:40
:12
09
:42
:12
09
:44
:12
09
:46
:12
09
:48
:12
09
:50
:12
09
:52
:12
Horário
Hz
Fig. 11. Frequência de operação do grupo gerador.
Durante a operação com corrente abaixo do valor nominal do regime de emergência (158 A), foi constatada uma variação de freqüência entre 58,87 Hz e 60,83 Hz. Em condições de sobrecarga do gerador, o valor mínimo registrado foi de 58,18 Hz e o máximo foi de 62,76 Hz, valores que se encontram dentro da faixa admitida pelo PRODIST para condições extremas.
VII. CONCLUSÃO
Os resultados obtidos mostram um cenário típico do comportamento de um grupo gerador movido a biogás sob diversas condições de carga.
As taxas de distorção harmônica de tensão e de corrente e o comportamento da freqüência mantiveram-se dentro de limites adequados de acordo com o módulo 8 do PRODIST.
Os níveis de tensão entre fases estão acima do valor nominal (220 V), pois foram propositalmente regulados para compensar a queda de tensão no circuito que alimenta a fábrica de ração. É recomendável neste caso a realização de um redimensionamento dos condutores a fim de reduzir a queda de tensão e reduzir o nível de tensão fornecido pelo grupo gerador.
Verificou-se que as cargas estão bem distribuídas entre as fases, pois o fator de desequilíbrio manteve-se abaixo de 2%, conforme preconiza o Módulo 8 do PRODIST.
A qualidade da energia elétrica fornecida pelo grupo gerador a biogás apresentou-se satisfatória para a operação do sistema de produção da fábrica de ração, contribuindo para a eficiência energética do sistema de produção de suínos.
AGRADECIMENTOS
À CAPES pelo apoio financeiro e à Fazenda Rancho Alegre por disponibilizar suas instalações para a realização deste estudo.
REFERÊNCIAS
[1] M. B. L. Gaspar, “Utilização de biodigestores em pequenas e medias propriedades rurais com ênfase na agregação de valor: um estudo de caso na região de Toledo-PR,” Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção), Florianópolis: UFSC, 2003.
[2] TECPAR – Instituto de Tecnologia do Paraná, “Manual de Biossistemas Integrados na Suinocultura,” p. 140. Centro de Integração de Tecnologia do Paraná – CITPAR. Telus – Rede Paranaense de Projetos em Desenvolvimento Sustentável, 2002.
[3] R. H. Pereira, S. L. Braga, C. V. M. Braga et al., “Geração Distribuída de Energia Elétrica – Aplicação de Motores Bicombustível Diesel/Gás Natural,” In: 3º Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás, Salvador, 2-5 out. 2005.
[4] E. F. Obert, “Motores de Combustão Interna,” Porto Alegre: Globo, 1971.
[5] P. Santos, “Guia Técnico de Biogás,” Portugal: CCE – Centro para a Conservação de Energia, 2000.
[6] IEEE, “IEEE Standard 519-1992 - Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems,” 1992.
[7] ANEEL, “PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – Módulo 8,” 2007.
[8] BS EN 50160, “Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems,” 2000.
[9] R. Nishimura, “Análise de Balanço Energético de Sistema de Produção de Biogás em Granja de Suínos: Implementação de Aplicativo Computacional,” Dissertação (mestrado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Mato Grosso do Sul – UFMS – Campo Grande, 2009.