manual de geração de energia elétrica a partir do biogás no meio
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MANUAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DO
BIOGÁS NO MEIO RURAL
Prof. Dr. Samuel Nelson Melegari de Souza Professor Associado C
Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE CCET – Mestrado em Engenharia de Energia na Agricultura
e-mail: [email protected]
CASCAVEL
PARANÁ - BRASIL
SETEMBRO - 2016
AGRADECIMENTOS
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq pelo
financiamento deste Projeto no âmbito do Edital Universal 14/2011, Processo
477270/2011-5
SUMÁRIO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO .................................................................................................................... 4
1.2 BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL ...................................................................................................... 5
1.2.1 Combustão do Biogás ........................................................................................................... 6
1.2.2 Poder Calorífico Inferior ........................................................................................................ 7
1.2.3 Limite de Inflamabilidade e Velocidade da Chama ............................................................... 8
1.2.4 Temperatura da Chama e Umidade do Biogás ..................................................................... 8
1.3 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ........................................................................................... 9
1.3.1 Teoria dos Motores de Combustão Interna .......................................................................... 9
1.3.2 Motores de Combustão Interna de Ignição por Centelha .................................................. 10
1.3.3 Desempenho de Motores de Combustão Interna de Ignição por Centelha ....................... 11
1.3.4 Princípio de Conversão de Motor de Ignição por Centelha a Biogás .................................. 15
1.4 MOTORES GERADORES DE ELETRICIDADE A BIOGÁS ................................................................. 19
1.4.1 Principais Componentes dos Motores Geradores .............................................................. 23
1.5 Premissas para Especificação Técnica de um Sistema Motor Gerador a Biogás e Auxiliares .... 29
1.6 Dimensionamento das Instalações Elétricas do Sistema de Geração de Eletricidade ............... 31
1.7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................... 44
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
O biogás tem um conteúdo energético elevado, semelhante ao gás natural, podendo
substituí-lo em muitas aplicações. A vantagem do biogás em relação ao gás natural é o fato de
ser renovável e produzido em todos os locais onde haja disponibilidade de biomassa. A
desvantagem é que o poder calorífico do biogás é menor que o do gás natural e tem em sua
composição sulfeto de hidrogênio e umidade.
A combustão direta e o uso do biogás em motores seriam os principais tipos de
aplicação do biogás. A figura 1.1 mostra o fluxograma que resume as possibilidades de
utilização do biogás como um combustível alternativo.
No processo de combustão direta, o biogás é queimado em câmaras de combustão de
turbinas a gás, caldeiras, aquecedores e secadores. O calor liberado na queima é utilizado em
processos produtivos ou na geração de eletricidade. Em motores de combustão interna, ele é
convertido em potência mecânica ou elétrica.
Os motores de combustão interna (máquinas primárias) acoplados a geradores
elétricos, chamados motores geradores, podem ser utilizados por propriedades rurais e
agroindústrias, com disponibilidade de biomassa residual e biogás para a geração distribuída
de energia elétrica.
Num projeto de geração distribuída utilizando biogás como combustível em motores
geradores, é importante conhecer as propriedades do biogás como combustível, a teoria e os
parâmetros de desempenho de motores de combustão a biogás, a conversão de motores de
ignição por centelha a biogás, os motores geradores de eletricidade a biogás, o
dimensionamento de motores geradores e os detalhes de instalação. Esses itens serão
abordados no decorrer deste módulo.
Figura 1 - Fluxograma resumido das possibilidades de utilização do biogás Fonte: WALSH et al (1988) & CCE (2000).
1.2 BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL
O biogás é uma mistura de 40 a 75 % de metano (CH4) e tem um poder calorífico entre
23338,52 e 6253,01 kcal/m3 (IANNICELLI, 2008). Estas características físico-químicas
somadas a outras características do biogás afetam a escolha da tecnologia usada em sua
combustão, limpeza e conversão de equipamentos térmicos convencionais para biogás.
1.2.1 Combustão do Biogás
No processo de combustão, o combustível deve ser misturado a um comburente para
que haja a combustão. A reação de combustão completa do metano, contido no biogás, com
oxigênio é (BIOGASBURNER, 2011):
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (1.1)
Onde um volume de metano requer dois volumes de oxigênio, para produzir um volume
de dióxido de carbono e dois de vapor de água, assumindo-se que há 58 % de metano no
biogás e 21 % de oxigênio no ar. Logo 1,72 volumes de biogás necessitam de 9,52 volumes de
ar ou 1,0 volume de biogás para 5,53 de ar. Com isso, a razão estequiométrica para combustão
do biogás é 15,3 % de biogás no ar, ou seja, nessa proporção a combustão é completa. Em
situações onde a mistura for pobre em biogás e com excesso de ar, a mistura é chamada de
pobre. Quando há excesso de biogás em relação ao ar a mistura é rica.
Para detectar se uma mistura é rica ou pobre define-se o fator lambda (λ), que é a
relação entre a mistura ar combustível real (A/Creal) e a mistura ar combustível
estequiométrica (A/Cestequiométrica).
λ =𝐴/𝐶𝑟𝑒𝑎𝑙
𝐴/𝐶𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (1.2)
Onde conclui-se que:
λ < 1 → mistura rica (deficiência de ar);
λ > 1 → mistura pobre (excesso de ar);
λ = 1 → mistura estequiométrica.
Nos motores de combustão interna existe a chamada sonda lambda, a qual tem por
objetivo, manter a mistura perto da faixa estequiométrica, evitando-se assim, um aumento do
consumo de combustível (mistura rica) ou perda de potência no motor (mistura pobre).
1.2.2 Poder Calorífico Inferior
O poder calorífico inferior (PCI) é utilizado para determinar o potencial teórico de
energia contido nos combustíveis. Quanto maior a concentração de metano, mais energia por
unidade de massa, ou seja, maior o poder calorífico inferior (PCI) do biogás. A tabela 1.1
mostra a variação do poder calorífico inferior do biogás e densidade em função da composição
de metano. A tabela 1.2 mostra o poder calorífico inferior de alguns combustíveis. A densidade
ou peso específico do biogás depende também da concentração de metano.
Tabela 1.1. Peso específico e poder calorífico inferior do biogás em função da composição
química
Fonte: IANNICELLI (2008).
Tabela 1.2 Poder calorífico inferior de combustíveis gasosos
Fonte: IANNICELLI (2008) & ALVES (2000).
A figura 1.2 mostra a equivalência energética do biogás com 60 % de metano quando
comparado com outros combustíveis.
Figura 1.2. Equivalência energética do biogás (60 % de metano)
1.2.3 Limite de Inflamabilidade e Velocidade da Chama
A porcentagem mínima e máxima de um combustível numa mistura ar e combustível,
para que essa mistura entre em combustão, é chamada de limite de inflamabilidade. Para o
biogás com 58 % de metano, está entre 9 a 17 % de biogás no ar e com o aumento do
percentual de metano estes valores tendem a decrescer. A velocidade da chama é a
velocidade de uma frente de chama da mistura ar e combustível, efetuada sob determinadas
condições. É uma propriedade importante no dimensionamento e modificação de queimadores,
pois ajuda a estabelecer a estabilidade da combustão. Também é utilizada na determinação do
avanço de ignição nos motores de combustão interna. O seu valor é de 0,25 m/s no ar para o
biogás com 58 % de metano (BIOGASBURNER, 2011).
1.2.4 Temperatura da Chama e Umidade do Biogás
A temperatura da chama é um parâmetro importante na performance dos sistemas de
combustão. Sua importância no dimensionamento do sistema, advém da taxa de produção de
calor, que é diretamente proporcional a temperatura da chama. A temperatura teórica da
chama na queima do biogás decresce em função da maior concentração de dióxido de carbono
e umidade (CCE, 2000).
O vapor de água composto no biogás tem um impacto significativo na combustão do
biogás, pois tende a alterar o poder calorífico, limite de inflamabilidade, temperatura da chama
e razão ar combustível (WALSH et al, 1989).
1.3 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Os motores de combustão interna (MCI) são as máquinas primárias mais utilizadas na
geração de energia elétrica com aproveitamento do biogás como combustível primário. São
motores de ignição por centelha (ciclo otto) acoplados a geradores de eletricidade. A maioria
dos motores a gás utilizam o gás natural, o que facilita o processo de conversão para biogás
(60 % de metano).
1.3.1 Teoria dos Motores de Combustão Interna
De acordo com Giacosa (1986), os motores térmicos de combustão interna são
máquinas que tem por objetivo transformar a energia calorífica em energia mecânica
diretamente utilizável. A energia calorífica pode provir de diversas fontes primárias, porém no
caso dos motores a combustão, a energia calorífica tem origem na queima de combustíveis
líquidos e gasosos. Portanto, pode-se dizer que os motores de combustão interna transformam
a energia química do combustível em energia mecânica.
Obert (1971) define que, nos motores de combustão interna, os produtos da combustão
são os próprios executores do trabalho. A maioria dos motores de combustão interna utiliza o
princípio do êmbolo alternativo, onde este é dotado do movimento de vai e vem no interior de
um cilindro, produzindo trabalho através de uma biela e de um eixo de manivelas.
Os motores utilizados para biogás podem ser de dois tipos: o ciclo otto e o ciclo diesel.
Sendo que o ciclo otto ou de ignição por centelha é o mais fácil de adaptar para biogás, devido
as unidades já existentes e adaptadas para gás natural. A principal alteração é realizar uma
regulagem no carburador para a queima de uma mistura ar e combustível mais pobre. O motor
diesel, ignição por compressão, pode ser adaptado para utilizar biogás na forma dual, onde a
principal alteração é a introdução de um misturador na entrada do ar, antes de ser comprimido,
permanecendo o restante funcionando sob o princípio diesel. No motor dual o combustível
injetado (diesel) entra em auto ignição junto com a mistura ar biogás, sendo que a injeção do
diesel é reduzida automaticamente pelo regulador de velocidade. A redução do consumo de
diesel no modo dual é acima de 80 %.
O ciclo diesel pode operar com 100 % de biogás, mas para isso ele precisa ser
ottolizado, ou seja, convertido para ciclo otto. A conversão não é tão simples, pois envolve a
remoção da bomba injetora, a introdução de um carburador e sistema de ignição por centelha,
redução na taxa de compressão, entre outros. Os principais fornecedores de motor a gás no
Brasil fazem essa conversão.
1.3.2 Motores de Combustão Interna de Ignição por Centelha
A máquina primária de um conjunto motor gerador a biogás mais utilizada atualmente é
o motor de ignição por centelha ou ciclo otto de quatro tempos. Segundo Wildner (2006) o ciclo
otto de quatro tempos opera conforme mostra a figura 1.3.
1º Tempo – Admissão: a mistura ar e combustível é admitida no cilindro através da
válvula de admissão, durante o curso do pistão do ponto morto inferior (PMI) ao ponto morto
superior (PMS).
2º Tempo – Compressão: a mistura ar e combustível é comprimida, quando o pistão sai
do PMI ao PMS.
3º Tempo – Combustão e expansão: após a compressão (2º Tempo) ocorre a ignição da
mistura ar e combustível, elevando a temperatura e pressão com a queima, fazendo com que
haja uma expansão do pistão do PMS ao PMI, transmitindo ao eixo de manivelas uma força
motriz.
4º Tempo: Descarga: antes do pistão atingir o PMI (3º Tempo) a válvula de escape
começa abrir e os gases passam a ser liberados quando o pistão sai do PMI ao PMS. Após
isso a válvula de descarga fecha-se e a de admissão abre-se e o ciclo inicia-se novamente.
Figura 1.3. Ciclo otto 4 tempos
Fonte: WILDNER (2206).
O ciclo otto é usualmente representado pelo ciclo padrão a ar, o qual é considerado um
ciclo ideal, onde: o processo 1-2 é uma compressão isoentrópica do ar (1º Tempo); no
processo 2-3 o calor é transferido (q2-3) durante a ignição do combustível (no momento que o
pistão está no PMS); no processo 3-4 ocorre uma expansão isoentrópica e; no processo 4-1 há
a rejeição de calor (q4-1), enquanto o pistão está no PMI (WYLEN et al, 1998). A figura 1.4
mostra o processo descrito acima.
Figura 1.4. Ciclo padrão ar otto
1.3.3 Desempenho de Motores de Combustão Interna de Ignição por Centelha
Segundo Dalbem (2008) o desempenho de um motor de ignição por centelha varia
conforme o tipo de combustível utilizado. O motor deve ser convertido (preparado) conforme o
tipo de combustível, tais alterações incluem a taxa de compressão, relação ar combustível,
ponto de ignição e outros itens. Esse procedimento irá influenciar parâmetros como:
rendimento total ou eficiência de conversão do combustível;
potência efetiva do motor;
consumo específico.
a) Rendimento total
Segundo Penido Filho (1991) e Dalbem (2008), o rendimento total de um motor de
combustão interna é dado por:
𝜂𝑇 = 𝜂𝑇𝑒 ∗ 𝜂𝑖 ∗ 𝜂𝑚 (1.3)
Onde ηT é o rendimento total; ηi o rendimento indicado; ηte rendimento térmico; ηm
rendimento mecânico. O rendimento total de um motor de combustão interna varia de 20 a 30
%.
Segundo Heywood (1988) citado por Dalbem (2008) e Penido Filho (1991) o rendimento
global também pode ser obtido por:
𝜂𝑡 =3600
𝐶𝑠∗𝑃𝐶𝐼 (1.4)
Onde Cs é o consumo específico (g.kWh-1); PCI o poder calorífico inferior do
combustível (MJ.kg-1).
O rendimento térmico é a relação entre o calor que se transforma em trabalho útil e o
calor equivalente ao trabalho que poderia ser obtido pela queima do combustível. Para o ciclo
de ignição por centelha (otto) pode ser obtido por meio da equação (PENIDO FILHO, 1991;
WYLEN , 1998):
𝜂𝑇𝑒 = 1 −1
𝜌𝑘−1 (1.5)
Onde ρ é a taxa de compressão do motor; k a razão entre os calores específicos, a
volume constante e a pressão constante. O rendimento térmico varia de 60 a 70 %.
O rendimento indicado (ηi) é a relação entre o trabalho realizado pelo motor no ciclo real
e o trabalho realizado pelo motor no ciclo teórico, ou melhor, é a porcentagem do trabalho útil
que é transformado em trabalho mecânico no ciclo real. Dentre os fatores que influenciam o
rendimento indicado estão a combustão imperfeita da mistura ar e combustível e aumento da
perda de calor através das paredes do cilindro do motor. O rendimento indicado varia de 50 a
80 % (PENIDO FILHO, 1991).
O rendimento mecânico (ηm) é a relação entre a potência efetiva medida no eixo do
motor e a potência indicada, ou seja, a porcentagem de trabalho mecânico do ciclo real que é
transformada em trabalho mecânico no eixo do motor. Os fatores que influenciam no
rendimento mecânico são: a força de atrito que aparece nos órgãos móveis (mecanismos), a
potência absorvida pelos órgãos auxiliares (bomba d’água, bomba de óleo, etc.) e a potência
absorvida no bombeamento (admissão e exaustão da mistura queimada) (DALBEM, 2008).
b) Potência efetiva do motor
A potência efetiva representa a gerada no eixo do motor. Para sua medição, deve-se
utilizar um dispositivo chamado dinamômetro, o qual mede a potência por meio do produto
entre o torque e a velocidade angular:
𝑁𝑒 = 𝑇 ∗ ω (1.6)
Onde Ne é a potência efetiva (W), T o torque (N.m) e ω a velocidade angular (rad.s-1).
A potência efetiva seria a diferença entre a potência indicada (medida no digrama
indicado) (Ni) e a potência absorvida (Nd):
𝑁𝑒 = 𝑁𝑖 −𝑁𝑒 (1.7)
A potência absorvida é aquela utilizada para vencer o atrito entre as partes mecânicas
em movimento (que efetua o bombeamento, aspiração e descarga) e acionar os órgãos
acessórios como: a bomba de óleo, alternador, bomba d'água, etc. A indicada é a potência
desenvolvida no interior do cilindro ocasionada pela combustão da mistura ar e combustível e
obtida por intermédio do ciclo indicado. (PENIDO FILHO, 1991).
A potência efetiva deve ser corrigida em função das condições ambientais: pressão
barométrica, teor de umidade do ar e temperatura ambiente. Essa correção, para o clico otto,
deve ser feita de acordo com a norma NBR ISO 1585 da Associação Brasileira de Normas
Técnicas (ABNT) (DALBEM, 2008).
Essa potência efetiva do motor depende do rendimento volumétrico (ηv), ou seja, quanto
menor esse rendimento menos potência o motor terá no eixo (DALBEM, 2008; PENIDO FILHO,
1991). A eficiência volumétrica é a relação entre a massa de ar que se encontra no cilindro, no
início da compressão, e a massa teórica que poderia estar, nas condições atmosféricas de
admissão. Se a aspiração fosse perfeita, todo o espaço liberado pelo pistão, ao deslocar-se do
ponto morto superior ao ponto morto inferior, seria ocupado pela mistura. Porém a massa de ar
admitido é sempre menor, no caso dos motores naturalmente aspirados.
Os fatores que influenciam na eficiência volumétrica são: perdas de carga no conduto
de admissão; tempos de abertura, fechamento e cruzamento de válvulas; temperatura da
mistura; pressão barométrica; percentagem de gás queimado residual contido na mistura,
inércia da mistura e rotação do motor (PENIDO FILHO, 1991). A relação a seguir é utilizada
para determinar o rendimento volumétrico:
𝑛𝑣 =𝑄𝑚
𝑊0 (1.8)
Onde Qm é a vazão do ar aspirado (m3.h-1) e Qo a vazão teórica máxima que o motor
pode aspirar (m3.h-1).
Os combustíveis gasosos, como o metano (gás natural) ou o biogás (58 % de gás
natural), ao serem queimados em motores de combustão interna produzem uma potência
efetiva menor, quando comparados com os líquidos (diesel e gasolina). Um dos motivos é que
o conteúdo energético da mistura estequiométrica combustível/ar para o biogás ou gás natural
é menor que o da gasolina. Outro fator que observa-se é que a eficiência volumétrica dos
motores a gás é menor.
Os combustíveis líquidos ao serem admitidos juntamente com a corrente de ar no
coletor, vaporizam absorvendo calor do ar e resfriam a mistura ar/combustível aumentando
assim sua densidade e contribuindo para o aumento da eficiência volumétrica.
c) Consumo específico do motor
O consumo específico é definido como a quantidade de combustível medido em gramas
que um motor gasta para cada kW de potência produzida durante uma hora de operação
(g.kWh-1) (PENIDO FILHO, 1991).
𝐶𝑠 =𝐶ℎ
𝑁𝑒 (1.9)
Onde Ch é o consumo horário (g.h-1) e Ne a potência efetiva (em kW).
O consumo específico varia em função da rotação do motor e quanto mais baixo for o
seu valor absoluto, maior será o rendimento do motor.
1.3.4 Princípio de Conversão de Motor de Ignição por Centelha a Biogás
Os motores de ignição por centelha, movidos a gasolina ou os motores diesel
convertidos à ciclo otto podem ser facilmente convertidos para motores a gás. As mesmas
técnicas de conversão de motor a gasolina para gás natural são utilizadas para o biogás. O
biogás tem um poder calorífico de aproximadamente a metade do gás natural, logo o sistema
de carburação tem que ser dimensionado para que o fluxo de biogás seja o dobro do gás
natural para que a mesma potência seja mantida (MUELLER, 1995; MACARI, 1987). A
principal modificação de um motor a gasolina para biogás é a instalação de um misturador de
gás com comburente (ar) no lugar do carburador. O controle do motor é efetuado pelo controle
da mistura ar/combustível, por meio de uma válvula de variação de pressão, semelhante à
válvula borboleta dos motores a gasolina. Outras modificações incluem a mudança na taxa de
compressão e avanço de ignição.
a) Carburação
O misturador utilizado na maioria dos motores a biogás é do tipo venturi e é instalado
antes da entrada da mistura ar combustível na câmara de combustão. A figura 1.5 mostra um
sistema típico de mistura de gás natural ou biogás. O sistema é composto de um filtro, por onde
entra o ar (comburente), uma entrada de biogás para um misturador venturi, uma válvula para
controlar a entrada da mistura ar/combustível para o cilindro do motor.
O misturador venturi utiliza o princípio de bernoulli, da mecânica dos fluidos, onde o
fluxo de ar através de uma seção reduzida provoca uma queda de pressão facilitando a entrada
de um gás combustível e tendo como resultado a mistura ar combustível. A figura 1.6 mostra
um misturador venturi, onde c1 é a velocidade da entrada do venturi, cv a velocidade na seção
contraída do venturi, di o diâmetro do misturador na entrada do motor, dv o diâmetro da seção
contraída do venturi, ci a velocidade da mistura na entrada do motor (MITZLAFF, 1988).
Figura 1.5. Sistema de mistura num motor a gás
Figura 1.6. Misturador venturi para biogás
As principais funções do venturi são (MITZLAFF, 1988):
para um alto fluxo de ar tem-se que a velocidade do ar é alta e a pressão na área
contraída é baixa. A diferença de pressão entre o fluxo de biogás e a corrente de ar
é alta. Logo muito mais combustível flui através das aberturas para misturar com a
corrente de ar;
para um baixo fluxo de ar tem-se que a velocidade do ar é baixa e a pressão na área
contraída é alta. A diferença de pressão entre o fluxo de biogás e a corrente de ar é
baixa. Logo pouco combustível flui através das aberturas para misturar com a
corrente de ar.
A velocidade do fluxo na entrada do motor e/ou saída do venturi (ci) é dada por:
𝐶𝑖 =4𝑉𝑖
𝜋𝑑𝑖2 (1.10)
Onde ci é a velocidade da mistura na entrada do venturi (m.s-1), Vi é o fluxo volumétrico
na entrada de um motor 4 tempos (m3.s-1), após o venturi, e di o diâmetro na entrada do motor
(m), o qual corresponde ao diâmetro na saída do venturi.
𝑉𝑖 =𝑉𝑐
2000
𝑛
60η𝑣𝑜𝑙 (1.11)
Onde Vc é o volume dos cilindros do motor (litros), n a rotação do motor (RPM)
e ηvol a eficiência volumétrica.
Como a vazão volumétrica na área reduzida do venturi é a mesma que na saída do
venturi, entrada do motor, tem-se que:
𝐴𝑣𝐶𝑣 = 𝐴𝑖𝐶𝑖 (1.12)
Onde Av é a área da seção contraída do venturi e Ai é a área na entrada do motor e
saída do venturi.
A velocidade na seção contraída do venturi (cv) não deve exceder 150 m/s na máxima
vazão, com isso o diâmetro na seção contraída deve ser:
𝑑𝑣 ≥ √4𝐴𝑣
𝜋≥ √
4𝐴𝑖𝐶𝑖
𝜋150 (1.13)
𝐴𝑖 =𝜋𝑑2
4 (1.14)
Utilizando-se a equação 1.13 acima, pode-se dimensionar o diâmetro mínimo da seção
reduzida do venturi em função do diâmetro da saída do venturi (misturador) ou entrada do
motor.
O fluxo de biogás no misturador venturi depende da potência de operação do motor,
poder calorífico inferior do biogás, consumo específico do motor e diferença de pressão entre a
tubulação de alimentação de biogás e a pressão na seção reduzida do venturi. O diâmetro do
tubo de alimentação de biogás pode ser obtido por meio do conhecimento desses parâmetros,
por outro lado, tais parâmetros são variáveis, o que pode levar a um super dimensionamento
do tubo de alimentação. Com isso deve ser instalada uma válvula de calibração no tubo de
alimentação de biogás.
A calibração do misturador venturi é feita durante a operação do motor a máxima
potência e velocidade, onde primeiramente a válvula de calibração é mantida totalmente aberta
e depois fechada gradualmente até o motor perder potência e, então é aberta cuidadosamente
até o ajuste final. Com isso tem-se por meio de uma abertura fixa da válvula, a alimentação
correta de combustível a ser misturado no venturi.
Geralmente as empresas que convertem os motores fabricam os misturadores partindo
de dimensões quaisquer e, a partir daí eles são testados no motor em operação, por meio da
regulagem da entrada de ar ou de combustível, e conseguem a partir de um método interativo
chegar a um misturador ideal para o motor que será fabricado em série.
A figura 1.7 mostra a foto de um misturador venturi acoplado a um motor ciclo otto
preparado para operar com biogás de biodigestores.
Figura 1.7. Misturador venturi
Fonte: SOUZA (2004).
b) Taxa de compressão
A razão entre o volume máximo do cilindro do motor e a câmara de combustão é a
chamada taxa de compressão ou razão volumétrica de compressão. Nos motores a gasolina a
taxa de compressão varia de 7 a 9:1 (MITZLAFF, 1988; SOUZA, 2004).
Os motores a gás (gás natural, biogás e outros) podem operar com uma taxa de
compressão mais elevada, quando comparado com a gasolina, entre 12 e 13:1. Isto é possível
porque o poder antidetonante do gás está ligado a concentração de metano (CH4), ou seja,
quanto maior a quantidade maior será a resistência a detonação. Para um motor a biogás a
taxa de compressão não pode exceder a 12:1, pois a composição do biogás não é constante e
isto pode levar a detonação em alguns momentos (ZAREH, 1998; CAÑAVATE, 1988;
MITZLAFF, 1988). Souza (2004) converteu um motor Volkswagem AP 1.8 L, com 4 cilindros e
90 C.V. para biogás e utilizou uma taxa de compressão de 12,5:1. Segundo Mitzlaff (1988) um
aumento de 7 para 10:1 resulta num aumento de potência no motor da ordem de 10 %.
A modificação na taxa de compressão consiste na usinagem da parte superior do
cilindro, com a diminuição da câmara de combustão. Esse processo é irreversível e, após
executado o motor não poderá operar mais com o combustível original.
O ponto de ignição tem que ser avançado, pois a velocidade da chama do biogás é
mais lenta (CAÑAVATE, 1988).
1.4 MOTORES GERADORES DE ELETRICIDADE A BIOGÁS
Os grandes grupos motores geradores a biogás alcançam potências da ordem de 1,6
MW, os quais possuem um sistema de resfriamento a água, onde a água quente e gases de
exaustão podem ser utilizados com o auxílio de trocadores de calor (cogeração) para
aquecimento do efluente dos biodigestores, produção de água quente para o processo
produtivo, aquecimento de construções, produção de frio com o auxílio de sistemas de
refrigeração por absorção (trigeração) e outras aplicações. O uso da energia térmica aumenta a
eficiência do sistema.
A figura 1.8 mostra um esquema, onde o biogás produzido no biodigestor é utilizado
num motor gerador para produção de calor e eletricidade para a rede, a sobra de produção de
biogás é queimada no flare (queimador).
Figura 1.8. Geração de energia elétrica e calor
Os motores geradores a biogás podem ser utilizados em áreas rurais utilizando biogás
proveniente de biomassa vegetal ou resíduos animais, ou área urbanas com biogás de aterro
sanitário e sistemas de tratamento de esgoto industrial ou doméstico.
Existem sistemas em propriedades rurais instalados em todo o mundo para geração de
energia, os quais tem potência de geração entre 15 e 50 kW, alguns além de produzir
eletricidade para satisfazer a demanda da propriedade utilizam água quente proveniente do
calor de arrefecimento do motor (STAHL et.al, 1981; COPPINGER et al., 1978; KOELSCH &
JEWELL, 1982). No Brasil tem crescido continuamente a implantação de sistemas de geração
de energia elétrica na área rural, especialmente com resíduos da suinocultura e bovinocultura.
Na área urbana existem estações de tratamento de esgotos, onde há biogás liberado
dos reatores anaeróbios, as quais vem aproveitando o biogás para geração de energia elétrica,
como exemplo, na estação de tratamento da cidade de Iraklio na Grécia, há uma planta de
geração com capacidade de 194 kW (TSAGARAKIS, 2007).
O maior aproveitamento do biogás para geração de eletricidade localiza-se nos aterros
sanitários, cujo objetivo maior é a obtenção de créditos de carbono. No Brasil, existem dois
grandes aproveitamentos: a UTEB (Unidade Termelétrica de Energia Bandeirantes), localizada
no aterro Bandeirantes em São Paulo, com uma potência instalada de 22 MW e o aterro São
João em São Paulo com uma termelétrica de 24,6 MW (16 motores geradores da Caterpillar),
totalizando os dois empreendimentos 46,6 MW.
4.4.1 Gerador de Eletricidade
O gerador de eletricidade seria a máquina secundária de um sistema motor gerador,
cuja função é transformar energia mecânica em elétrica, sendo constituído por uma parte fixa
(carcaça) denominada estator, responsável pelo campo magnético, onde são localizados os
polos do gerador. A outra parte é móvel e chama-se rotor, onde aparece a força eletromotriz.
O motor é acoplado no gerador por meio de um acoplamento elástico capaz de absorver
pequenos desalinhamentos axais e radiais e vibrações geradas por variações de carga de
desbalanceamento (BERNDSEN, 2007).
Os geradores (ou alternadores) podem produzir eletricidade nas tensões 220/127 V,
380/220 V ou 440/254 V, dependendo do tipo de ligação trifásica. A potência produzida pelo
gerador é a potência aparente, a qual é calculada por (NISKIER, 2000):
𝑃𝑎 =√3𝑉𝐼
1000 (1.15)
Onde a potência do gerador (ou aparente) é dada em kVA, U é a tensão (V) e I é a
corrente elétrica (A).
O gerador possui um fator de potência, o qual é a relação entre a potência ativa (P),
medida em kW, com a potência do gerador:
𝐹𝑃 = 𝑐𝑜𝑠𝜑 =𝑃
𝑃𝑎 (1.16)
A potência ativa (kW) pode ser obtida em função do fator de potência como:
𝑃 = 𝑉𝐼𝑐𝑜𝑠𝜑√3 (1.17)
Quanto menor o fator de potência, mais potência reativa é produzida (kVAr) e, maior
será a potência aparente em relação a ativa, o que demanda sistemas de distribuição de
energia com fiações de maior dimensão.
O rendimento de um gerador elétrico é a relação entre a potência elétrica produzida
(kW), potência ativa, e a potência mecânica absorvida no eixo do motor:
𝜂𝑔=
𝑃
𝑃𝑚 (1.18)
Onde Pm é a potência absorvida pelo gerador no eixo do motor (máquina primária), em
kW.
O rendimento de um gerador não é constante e varia com a carga, atinge o valor
máximo com carga entre 80 e 100 % da potência máxima. Geradores pequenos tem
rendimento menor que geradores maiores. O rendimento do gerador para fins de projeto está
em torno de 0,90 (90 %).
A figura 1.9 mostra as partes principais de um gerador de eletricidade.
Figura 1.9. Gerador WEG linha G (modelo GTA 250)
Na seleção de geradores para uma determinada aplicação, devem-se conhecer: a
potência nominal, rotação (RPM), frequência (Hz), tensão nominal, o fator de potência, número
de fases, número de polos, tipo de excitação, dados ambientais, tipo de acoplamento na
máquina primária e outros.
1.4.1 Principais Componentes dos Motores Geradores
Os motores geradores constituem-se no acoplamento entre o motor de combustão
interna e o gerador de eletricidade (alternador). O acoplamento pode ser por meio de redutor
(relação de engrenagens), polias (relação de polias) e correias e, acoplamento direto. A
eficiência de acoplamento, ou seja, conversão de energia mecânica em elétrica é de cerca de
90 % na velocidade síncrona .
Além do motor de combustão interna (ignição por centelha) e gerador de eletricidade,
outros componentes auxiliares compõem o sistema de geração de energia elétrica com motor
gerador. Dentre os sistemas estão o controlador de velocidade, sistema de controle da mistura
ar/combustível, sistema de partida, exaustão, arrefecimento e ventilação e painel de controle.
a) Controlador de velocidade
A rotação do motor tem que ser mantida em 1800 RPM, mas ela pode variar com a
carga no gerador de eletricidade. Para manter a rotação constante no motor esse controle é
feito pela quantidade da mistura ar/combustível admitida pelo motor, por meio da abertura ou
fechamento de uma válvula borboleta. A válvula é controlada por um módulo eletrônico
conectado a um atuador eletrônico ligado ao corpo de borboleta. O módulo colhe informações
de rotação (RPM) recebidas por meio de um sensor pick-up magnético (indutivo), instalado na
carcaça do volante com proximidade adequada dos dentes da cremalheira. As informações são
enviadas ao módulo, que ajusta o posicionamento da válvula borboleta pelo atuador eletrônico
obtendo a rotação desejada (PEREIRA, 2011).
b) Sistemas de controle da mistura ar e combustível
O controle da mistura ar e combustível consiste em ajustar eletronicamente a
alimentação do combustível para o motor. Esse sistema utiliza uma válvula corpo de borboleta
com atuador eletrônico acoplada a um controlador digital, o qual recebe sinal de uma sonda
lambda, conectada no escapamento do motor, a qual faz a leitura do teor de oxigênio dos
gases de emissão, indicando se a mistura ar e combustível é pobre ou rica de combustível. De
acordo com a leitura o controlador manda um sinal para o atuador eletrônico, que efetua a
abertura ou fechamento da válvula borboleta, controlando a passagem de biogás para o motor,
até que a mistura estequiométrica seja formada (MAURO Jr. & ALMEIDA, 2006).
Esse sistema permite uma economia de combustível e diminuição das emissões, além
de corrigir as variações na concentração de metano no biogás. A figura 1.10 mostra o sistema
de alimentação de gás combustível.
Figura 1.10. Sistema de alimentação de gás combustível
Fonte: Adaptado de MAURO Jr. & ALMEIDA (2006).
c) Sistema de partida
O sistema de partida é composto basicamente de baterias, motor de partida e
alternador. As baterias são de 12 ou 24 Volts, sendo que as de 12 Volts são para pequenos
geradores e as de 24 Volts grandes geradores. A bateria é conectada com um motor de partida
e devem ter capacidade suficiente para fornecer corrente para o giro do motor. As baterias
podem ser de chumbo-ácido ou níquel-cádmio. O motor gerador deve ter um alternador para
carregar a bateria ou um carregador com fonte externa. Em grandes grupos geradores utilizam-
se sistemas de partida com ar comprimido (CUMMINS, 2010).
d) Sistema de exaustão e silencioso
A função do sistema de exaustão (escape) é exaurir os gases resultantes da combustão
para fora do ambiente interno, onde o motor gerador está alojado. O sistema de exaustão deve
ser confeccionado com material resistente a corrosão, especialmente quando o combustível é
rico em enxofre, como é o caso do biogás. Além disso, deve ser acoplado a um silencioso, cujo
objetivo é reduzir o ruído e essa escolha depende das exigências desejadas de níveis de
ruídos.
e) Sistema de arrefecimento e ventilação
O motor é resfriado a água, ou seja, a água misturada a um anticongelante é bombeada
por uma bomba acionada pelo motor até o cabeçote do motor e cilindros, fluindo através de
pequenos orifícios. Após retirar o calor ela é resfriada num radiador. O radiador é um trocador
de calor, onde a água perde calor para uma corrente de ar.
f) Painel de controle
Os motores geradores de energia elétrica utilizam sistemas baseados em relés, e sua
função é controlar a partida do motor, operação do motor, fazer monitoramento, mostrar falhas
e fornecer indicações, medições e alertas para a interface com o usuário. Os geradores com
conexão à rede de energia elétrica (paralelismo) ou aqueles que demandam alto nível de
desempenho, melhor funcionalidade e outros, utilizam controladores com circuitos eletrônicos.
O sistema de monitoramento, controle e proteção (SMCP) do motor gerador devem incluir
vários avisos e alarmes de desligamento para proteção do motor gerador.
O motor de combustão interna (máquina primária) contém também os seguintes
elementos auxiliares: filtro de óleo lubrificante, filtro de ar com elemento seco recambiável,
sistema de ignição com velas, sensor de baixa pressão no óleo, sensor de temperatura de
resfriamento. Quando a pressão do óleo abaixa, o sensor manda um sinal para um controlador
que interrompe o funcionamento do motor. Quando a temperatura do fluido de arrefecimento
atinge 95 °C o sensor, manda um sinal para o controlador e o funcionamento do motor é
interrompido.
4.4.3 Desempenho de um Motor Gerador
O desempenho de um motor gerador varia com a carga, ou seja, quanto maior a carga
do motor maior a eficiência total. A eficiência total pode ser calculada por:
𝜂 =𝑃
𝑉∗𝑃𝐶𝐼 (1.19)
Onde P é a potência útil de geração de eletricidade (kW), V é a vazão volumétrica de
biogás (m3.h-1), nas condições normais de temperatura e pressão, PCI é o poder calorífico
inferior do biogás (kWh.m-3). A eficiência de geração de eletricidade num motor gerador está
em torno de 26 %. Este parâmetro é importante para o dimensionamento do potencial de
geração de eletricidade com o uso do biogás com combustível. Quando o motor gerador
trabalha a baixas cargas essa eficiência pode cair pela metade.
Atualmente os motores geradores a biogás disponíveis no mercado tem potências que
variam de 10 kW a 1600 kW. Existem grandes empresas no mundo que comercializam motores
geradores a biogás, destacando-se a Caterpillar e a GE-Energy, com o grupo gerador
Jenbacher. Algumas empresas nacionais também vêm se destacando, tais como a Biogás
Motores Estacionários Ltda e Leão Energia Indústria de Geradores Ltda. A tabela 4.3 mostra as
especificações de motores geradores a biogás de acordo com os fabricantes.
Tabela 1.3. Especificações de motores geradores a biogás
Fonte: GE-Energy (2011), Caterpillar (2011), Leão (2010), Biogás Motores (2011).
4.4.4 Dimensionamento da Potência de Motores Geradores a Biogás
O sistema de geração de eletricidade consiste no elemento mais importante para a
implantação da geração distribuída no setor agroindustrial com aproveitamento de biomassa
residual.
Para o dimensionamento do motor gerador, deve-se utilizar como parâmetros, o poder
calorífico do biogás, a eficiência do motor gerador, a disponibilidade diária de biogás junto a
cada uma das unidades agroindustriais (m3.dia-1) e o tempo de utilização da planta de geração.
Por meio dos dados disponíveis de produção de biogás nas unidades foi possível
determinar inicialmente o potencial teórico de produção de energia elétrica. Conhecendo-se o
poder calorífico do biogás é possível quantificar a energia elétrica gerada por metro cúbico de
biogás. Esta quantificação pode ser obtida por meio de:
𝑃𝑇𝐸 = 𝑃𝐶𝐼 ∗ 𝑃𝐵 (1.20)
Onde PTE é o potencial teórico de produção de eletricidade (kWh.dia-1); PCI é o poder
calorífico inferior (kWh.m-3) e PB é a produção anual de biogás (m3.dia-1).
O poder calorífico inferior do biogás depende da relação dióxido de carbono e metano,
ou seja, quanto maior a concentração do metano, maior o poder calorífico. Logo, o processo de
produção de biogás deve ser otimizado, visando um aumento da concentração de metano no
biogás, assim ele deverá aproximar-se do gás natural quanto as características físico-químicas.
Para a determinação do potencial técnico de produção de eletricidade, deve-se levar em
consideração a eficiência global de conversão nas máquinas térmicas (conjunto motor gerador,
microturbina a gás, etc.). Dessa forma, para efeitos de uma estimativa mais precisa, o valor a
ser adotado é de 25 % (SOUZA, 2004). Vale lembrar que esta eficiência de conversão depende
do conjunto motor gerador, ou seja, sistema de adaptação do motor ciclo otto para operação a
biogás. O sistema de injeção do biogás deve ter um rendimento volumétrico elevado, sendo
que geralmente este sistema é semelhante ao utilizado em adaptação de motores com gás
natural.
O potencial técnico de geração de energia é calculado por:
𝑃𝑇𝐶𝐸 =𝑃𝑇𝐸∗𝜂
100 (1.21)
Onde PTCE é o potencial técnico de geração de energia (kWh.dia-1) e η é a eficiência
de conversão.
Assim, a potência elétrica da planta de geração é obtida por meio de:
𝑃𝑂𝑇 =𝑃𝑇𝐶𝐸
𝐻𝑂∗𝑐𝑜𝑠𝜑 (1.22)
Onde POT é a potência elétrica da planta de geração (kVA), HO é o número de horas
diárias de operação do conjunto motor gerador (horas) e o cos φ é o fator de potência, o qual
varia de 0,80 a 1,0.
1.5 Premissas para Especificação Técnica de um Sistema Motor Gerador a Biogás e Auxiliares
Para a aquisição de um sistema de geração de eletricidade com motor gerador a
biogás, algumas informações devem constar no documento de especificação do sistema, além
do projeto elétrico, o qual deve estar de acordo com as normas da concessionária local de
energia elétrica.
Os motores geradores deverão ser adequados para operar nas seguintes condições
ambientais:
Altitude: até (completar com a altitude desejável) m
Temperatura máxima anual: 55 °C
Temperatura mínima anual: 0 °C
Temperatura ambiente média em 24h: (completar com o valor desejável) °C
Umidade relativa: até 95 %, sem condensação
Considerar o clima, quanto ao favorecimento na formação de corrosão e fungos.
Os motores geradores são equipamentos destinados a suprir com energia elétrica as
instalações, utilizando como combustível o biogás com (completar com a porcentagem de
metano)% de concentração de metano. São compostos basicamente de um motor ciclo otto e
um alternador síncrono-trifásico, acoplados por um sistema monobloco e um Sistema de
Monitoramento, Controle e Proteção (SMCP).
Deverão ser montados sobre uma única base de aço com apoio tipo “vibra-stop” e ser
previstas partidas manual e automática sem necessidade de preaquecimento.
a) Motor ciclo otto
O motor deverá fornecer potência líquida de saída suficiente para acionar
continuamente o gerador a 90 % (noventa porcento) de plena carga (a plena carga depende da
porcentagem de metano no biogás – o mínimo exigido é (completar com a porcentagem de
metano)%, na velocidade síncrona, sem indícios de sobreaquecimento para as condições
climáticas locais, e sua construção deverá efetuar-se em multicilindros, tipo estacionário com
alimentação do combustível via aspiração na admissão ou injeção do gás, além de apresentar
os seguintes acessórios:
filtros de óleo lubrificante;
filtro de ar, com elemento seco recambiável;
filtro de biogás com limalha de ferro ou equivalente para retirada de H2S;
bateria e alternador para recarga da mesma ambas de marca nacional e tensão de
12 Vcc de operação;
sistema de arrefecimento completo (radiador, hélice, mangueira e etc.);
silenciador de escape do tipo hospitalar;
o grupo será equipado com um sistema de partida elétrica, dotado de baterias, com
capacidade de acionar o conjunto a uma velocidade que permita a partida do motor.
Deverá também ter sistema de ignição eletrônica de alta confiabilidade;
o regulador automático de velocidade será eletrônico, tipo isócrono com entrada
analógica de controle de + ou – 3 V;
sistema de controle de queima do combustível do motor através de sonda lambda
para garantir queima adequada e minimizar as emissões de gases poluentes;
o motor deverá conter sistema de proteção contra alta temperatura de água e baixa
pressão do óleo;
o motor deverá operar em regime estacionário de 1800 RPM (rotações por minuto).
b) Gerador e/ou alternador
O gerador deverá atender perfeitamente às condições de frequência, potência e
temperatura do local das instalações.
Deverá ser trifásico, com quatro polos girantes do tipo sem escovas (brushless), com
excitatriz e ponte retificadora trifásicas de onda completa montadas no mesmo eixo do
alternador.
A regulação de tensão deverá ser feita por regulador eletrônico de tensão para + ou – 2
% em toda faixa de carga.
Será construído auto-ventilado horizontal, com grau de proteção IP-21, mancais de
rolamentos lubrificados a graxa, enrolamentos amortecedores para serviço paralelo e
isolamento classe F, conforme ABNT NBR-5117.
Possuirá ainda as seguintes características:
potência nominal: (completar com o valor desejável) kVA;
fator de potência indutivo mínimo: FP = 0,8;
tensão nominal: 127/220/380 V, em estrela com neutro acessível;
regime de funcionamento: contínuo;
sobrevelocidade: 20 % durante 2 minutos;
rigidez dielétrica: 1880 VCA durante 1 minuto;
distorção harmônica: < 3 % entre fases e < 5 % entre fase e neutro, com FP = 0,8
indutivo e carga linear;
resistência de isolamento: > 4,0 MOhms a 40ºC;
regulação: +/- 2 % em relação à nominal, para qualquer valor estável de carga linear
de 0 a 100 % da potência nominal e valores de FP entre 0,8 e 1,0 indutivo;
queda de tensão instantânea: <= 10 %, com tempo máximo de recuperação de 2
segundos na aplicação brusca de 100 % da potência nominal;
reatância subtransitória: X”d <= 10 %;
balanceamento: estática e dinamicamente para o rotor, assegurando funcionamento
livre de vibrações, devendo suportar sobrevelocidade de 25 %, em caso de
emergência, sem danos mecânicos, permanecendo em equilíbrio mecânico e
elétrico para todas as velocidades até 125 % da rotação nominal;
excitatriz: tipo “brushless” (sem escovas), com corrente alternada com retificador
composto de diodos girantes, acoplada diretamente ao eixo do gerador, construção
totalmente fechada com ventilação externa, isolamento classe F, regulador estático
de tensão.
1.6 Dimensionamento das Instalações Elétricas do Sistema de Geração de Eletricidade
Nos sistemas de redes de distribuição a baixa tensão (BT), as tensões primárias de
entrada podem ser de 34,5 kV ou 13,8 kV com saída de 380/220/127 V e, tais sistemas devem
contar com sistemas de proteção adequados para que os motores geradores sejam conectados
a rede com segurança. A figura 1.11 mostra o diagrama do sistema de distribuição com as
proteções.
Figura 1.11. Sistema de distribuição com as proteções
Fonte: COPEL, 2010.
Aquele que pretende gerar energia elétrica deve apresentar um projeto elétrico a
concessionária de energia elétrica, para devida análise e liberação da mesma. O projeto deve
ser realizado por um profissional habilitado e atender as premissas exigidas pela
concessionária local de energia.
No projeto elétrico devem ser contemplados aspectos técnicos e de segurança de
acordo com os requisitos da rede. O projeto elétrico deve ser composto de diagrama unifilar da
instalação e descrição dos sistemas de medição e proteção, quadro de distribuição,
aterramento e proteção do gerador. Devem ser seguidas as normas da ABNT, NBR
14039:2003 e NBR 5410:2004 e normas de acesso de geração distribuída da concessionária
de energia ou similar.
a) Sistema de medição e proteção
A medição, proteção e transformação envolve o padrão de entrada da unidade
consumidora (subestação de consumidor), a qual é normalmente construída em cabine de
alvenaria, para instalação acima de 300 kVA e entrada de 34,5 kV ou 13,8 kV e cabos aéreos 2
AWG CAA.
O sistema de medição é do tipo indireta e composto dos seguintes componentes: 2
(dois) medidores eletrônicos com memória em massa; 3 (três) transformadores de corrente, 0,6
kV; 1 (um) no-break com autonomia para 40 min a plena carga, ou 100 h com carga de 4 VA; 1
(um) relé com bobina 127 V e com, no mínimo, 2 (dois) contatos NA e 2 (dois) contatos NF; e 2
(duas) chaves de aferição. A figura 4.12 mostra o detalhe de abrigo de medição.
O sistema de controle e proteção para geradores até 75 kW, em BT, derivado da rede
de 13,8 kV, é tema de tópico específico neste manual, que apresenta detalhes de sua
concepção e parametrização. O diagrama de controle e proteção é mostrado na figura 1.13.
Nesta, quando da ocorrência de algum defeito interno ou externo à instalação, a proteção atua
no elemento de interrupção (EI) desconectando o gerador.
Na figura 1.13, EI é o elemento de interrupção (disjuntor em caixa moldada), padrão
NEMA ou IEC, curva 'C', até 200 A, com bobina de disparo para abertura remota e/ou bobina
de fechamento remoto. DGE é o disjuntor do gerador e ES é o elemento de de seccionamento
e desconexão (chave seccionadora tripolar sem elementos fusíveis). As funções de proteção
que incorporam o sistema de proteção, também mostradas na figura 1.13, são: sobrecorrente
de corrente alternada de faz e de neutro, instantâneas e temporizadas – 50/51 – 50/51 N; sobre
tensão (3 fases) – 59; sub tensão (3 fases) – 27; sobre e sub frequência – 81 O/U; relé de
tempo – 62; relé check de sincronismo – 25; derivada de frequência – 81df/dt; relé salto de
vetor – 78. Todas as premissas, desenvolvimento, estudos, testes e parametrização são
apresentados no Módulo V.
Figura 1.12. Detalhe de abrigo de medição
Fonte: COPEL, 2010.
Figura 1.13. Diagrama unifilar – sistemas de proteção, gerador até 75 kW
Fonte: COPEL, 2010.
A figura 1.14 mostra o diagrama unifilar de um acessante de potência entre 76 e 300
kW, com os elementos de proteção, onde a proteção atua no elemento de interrupção (EI) e
desconectando o gerador.
Figura 1.14. Diagrama unifilar – sistemas de proteção, gerador entre 76 e 300 kW
Fonte: COPEL, 2010.
Outro sistema é aquele que a proteção atua sobre o EI desconectando somente o
gerador, mas para isso, no sistema existe um disjuntor para o circuito de carga e um disjuntor
geral (NTC 905100 – COPEL, 2010).
O sistema de medição e proteção devem ser instalados após o transformador (ver
detalhe figura 1.15).
Figura 1.15. Detalhe de um sistema de medição e proteção
Fonte: COPEL, 2010.
b) Aterramento
Todas as partes metálicas não destinadas à condução de energia elétrica, tais como
carcaça do transformador, caixa para medidor, caixas para equipamentos de proteção,
aterramento dos para-raios, serão interligados através de cabos de cobre nu com seção de 35
mm2. O cabo de aterramento dos para-raios terá sua descida feita pela lateral do poste e a uma
altura de 3 m será protegido mecanicamente por eletroduto de PVC de 3/4”. O neutro do
transformador deverá ser ligado à malha de terra por meio de cabo de cobre nu com seção de
95 mm2.
O sistema de aterramento deve ser do tipo TN-C, sendo o neutro também o responsável
pela circulação das correntes de falta. A malha de terra será constituída por hastes verticais de
aterramento tipo copperweld, de 5/8” x 2,4 m e deverão ser interligadas por cabo contínuo de
cobre nu, de 35 mm2. A resistência a terra deverá ser inferior a 5,0 Ohm, em qualquer época do
ano e pelo menos uma das hastes de cobre deverá ser colocada em caixa de alvenaria para
inspeções e medições.
c) Quadro de proteção dos geradores
Conforme mencionado anteriormente, o Sistema de Monitoramento, Controle e
Proteção da unidade geradora será abordado no Módulo V.
d) Alimentação da casa dos geradores
A alimentação elétrica da casa de máquinas deverá ser efetuada por um circuito
trifásico, dimensionado conforme as características específicas de cada instalação. Este deve
observar as premissas impostas pela concessionária local, bem como as normas brasileiras
vigentes, devendo ser aprovado pela concessionária.
e) Detalhes para execução das instalações elétricas
A área da seção transversal interna dos eletrodutos ocupados pelos cabos não deverá
ser superior a 40 %. Os eletrodutos, conexões, curvas, etc; deverão ser livres de quaisquer
imperfeições do revestimento, rebarbas e outros defeitos, devendo ser lisos na superfície
interna.
Os condutores somente deverão ser instalados após estar completamente concluída a
rede de eletrodutos e todos os serviços de construção que possam danificá-los. A instalação
dos condutores só deverá ser iniciada após a canalização estar perfeitamente limpa e enxuta.
As caixas de passagem deverão ser bem ajustadas aos eletrodutos por meio de buchas
e arruelas, sendo fixadas de modo a facilitar a instalação dos equipamentos e proporcionar,
além de segurança, uma boa estética. Para tanto, deverão estar bem aprumadas e niveladas.
As caixas de passagem de concreto deverão ter dreno feito com brita, e posteriormente
aos trabalhos de montagem deverão ter suas tampas lacradas com argamassa.
Todas as alterações que por ventura tenham que ser feitas quando da execução,
deverão ser comunicadas ou consultadas ao responsável pelo serviço.
Por questões operacionais e de segurança, deverá ser previsto a instalação de placas
de advertência na entrada de serviço, enfatizando a existência de geração própria em paralelo
permanente com a concessionária.
4.4.7 Detalhes das Instalações dos Motores Geradores a Biogás
Durante a instalação dos motores geradores, alguns detalhes importantes devem ser
levados em consideração, principalmente em relação à casa de máquinas.
O motor gerador deve ser alojado em local adequado, com boa ventilação e a
temperatura ambiente inferior a 40 °C. O local deve ser limpo e livre de ácidos e gases
alcalinos, e também aberto e protegido do tempo.
a) Dimensões da sala do motor gerador
O tamanho da sala depende da dimensão do motogerador e dos elementos acessórios.
A maioria dos grupos geradores requer acesso de serviço em ambos os lados do motor e na
extremidade do controle/alternador da máquina. Em geral a área de trabalho deve ser no
mínimo igual à largura do motogerador em ambos os lados e na parte posterior.
Os componentes adicionais do sistema de distribuição elétrica podem requerer espaço
adicional de trabalho.
As portas devem ter uma dimensão que permita que maiores componentes do
equipamento possam ser removidos (geralmente o motor). A figura 1.16 e tabela 1.4 mostram
as dimensões da sala em função da potência dos motores geradores.
Figura 1.16. Croqui de uma sala de motor gerador
Fonte: Adaptado de EMSA, 2011.
Tabela 1.4. Dimensões recomendadas da sala do motor gerador (figura 1.16)
Fonte: Adaptado de EMSA, 2011.
Alguns pontos importantes:
a largura (L) da porta de entrada (ver figura 1.16) deve ser no mínimo de 1,2 m, mas
isso depende do número de geradores a serem acomodados na sala, podendo ser
maior;
as portas de acesso à sala de máquinas devem abrir para dentro ou serem
protegidas por anteparo de maneira para que elas possam ficar abertas quando o
motor gerador estiver em operação;
deve haver pelo menos 1 (um) metro de espaço livre em torno de cada motogerador;
a substituição do alternador deve ser feita sem a necessidade de remoção de todo o
conjunto ou qualquer acessório;
o pé direito da casa do gerador deve ser de no mínimo 2,5 m, isso depende da
altura do motor gerador;
a fundação deve ser apropriada para suportar o motogerador e evitar que a vibração
seja transmitida para a estrutura do edifício. Deve ser colocada uma base de
concreto sobre o piso de concreto para elevar o motogerador a uma altura
conveniente para os serviços de instalação e manutenção.
b) Ventilação e exaustão dos gases
Quando instalado em local fechado, os gases de exaustão e o ar quente devem ser
retirados do local. Num projeto ideal de sala de máquinas, o ar é sugado diretamente do
exterior e expelido para fora da parede oposta. A figura 1.16 mostra os detalhes da abertura de
ventilação na sala do motogerador (DxE), a qual depende da posição do radiador do motor
gerador em relação à parede (K).
O cano de exaustão (escapamento) deve direcionar os gases para fora, ou seja, a saída
do escape do motor deverá ser tão alta quanto a prática permitir no lado descendente dos
ventos dominantes e voltada diretamente para fora da ventilação e aberturas da casa. A figura
1.17 mostra o esquema da instalação do sistema de exaustão.
Figura 1.17. Instalação do sistema de exaustão dos gases
Fonte: CUMMINS, 2010.
c) Base do motor gerador
A base deve ser construída com concreto reforçado com cura de vinte e oito dias e força
de compressão de pelo menos 17200 kPa e deve ter pelo menos 150 mm de profundidade e
estender-se pelo menos 150 mm para fora da estrutura em todos os lados. Deve-se consultar o
fornecedor do sistema para saber em que posição os cabos de energia e controle serão
embutidos na fundação. Os isoladores de vibração devem ser fixados na base de montagem
com parafusos tipo J ou L embutidos na base de concreto. A figura 1.18 mostra o esquema da
fundação e isoladores de vibração.
A base também poderá ser construída em perfis laminados de aço dobrados ou tubular,
soldados com tecnologia MIG e pintura epóxi. Todos os componentes metálicos deverão ser
soldados eletricamente e os pontos de solda deverão ser completamente limpos de rebarbas,
pingos ou bolhas.
A montagem do grupo sobre a base metálica deve ser feita utilizando-se amortecedores
de borracha sintética (tipo “vibra-stop”).
Figura 1.18. Esquema da fundação do motogerador
Fonte: CUMMINS, 2010.
d) Fios condutores
Todos os fios condutores de eletricidade ligando o motor, o gerador e o painel de
controle devem estar enterrados numa canaleta de cabos elétricos.
e) Proteção contra incêndio
O sistema de proteção contra incêndio deve atender as exigências das autoridades
locais, como o corpo de bombeiros. As autoridades locais devem indicar a quantidade, tipo e
tamanho dos extintores de incêndio.
A sala deve ser ventilada para evitar a concentração de gases de escape e gás
combustível (biogás).
A iluminação deve ser a prova de explosão.
4.4.8 Comissionamento do Motor Gerador
Uma unidade de geração de energia elétrica com biogás é composta principalmente
pelo motor gerador de eletricidade, instalações elétricas e sistemas de proteção. Na prática,
após a instalação e montagem do motor gerador e instalações por empresas especializadas, o
sistema deverá ser comissionado a fim de verificar se o mesmo está adequado para entrar em
operação contínua.
No comissionamento deve haver a aplicação de um procedimento de engenharia que
visa inspecionar e testar todos os componentes do sistema de geração de energia elétrica e
instalações.
No comissionamento os motores geradores e elementos auxiliares devem ser testados
em campo, onde é verificado o comportamento operacional e dado o parecer final. A tabela 4.5
mostra os testes a serem feitos num sistema de geração de eletricidade a biogás.
Tabela 4.5. Testes e resultados de comissionamento num sistema de geração de eletricidade a
biogás
1.7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALVES, J. W. S. Diagnóstico técnico institucional da recuperação e uso energético do
biogás gerado pela digestão anaeróbia de resíduos. São Paulo. Dissertação de
Mestrado. PIPGE / USP. 2000.
BARBOSA, A. Instalação de grupo motor gerador. HEMMER, 2010.
BERNDSEN, C. J. Desenvolvimento experimental e análise energética de um sistema
trigerador para produção simultânea de calor, eletricidade e frio. Dissertação de
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