EaDBiogas_ModuloII

CURSO DE ATUALIZAÇÃO EM ENERGIAS DO BIOGÁSMÓDULO II – Linhas de base para a produção e conversão de energia do biogás 1 INDÍCE MÓDULO II – LINHAS DE BASE PARA A PRODUÇÃO E CONVERSÃO DE ENERGIA DO BIOGÁS 1. Fundamentos Biológicos para produção de biogás e bioconversão Autor: Airton Kunz Pesquisador – Embrapa Suínos e Aves 1.1 Histórico do Biogás 1.1.1 Biogás no Brasil 1.2 Como o Biogás é gerado 1.2.1 A biodigestão anaeróbica 1.2.2 Descrição das principais etapas da degradação anaeróbica 1.2.3 Fatores que afetam a produção do biogás 1.3 Características do biogás 1.4 Composição dos resíduos para geração do biogás 1.4.1 Capacidade de geração de biogás em função de diferentes resíduos 1.5 Biodigestor 1.5.1 Modelo de Biodigestores 1.6 Noções sobre dimensionamentos de biodigestor 1.6.1 Carga orgânica volumétrica (COV) 1.6.2 Tempo de retenção hidráulica (TRH) 1.7 Manejo dos resíduos antes de entrar no biodigestor 1.7.1 Condições e Manejos nas instalações 1.7.2 Regime de alimentação 1.7.3 Separação de sólidos 1.8 Referências bibliográficas 2. Conversão de energia Autor: Gilson Paulillo 2.1 Introdução 2.2 Princípios básicos 2.2.1 Princípio de Conservação de Energia 2.2.2 Potência 2.3 Estimativa do Potencial Energético 2.4 Tecnologias para produção de energia elétrica a partir do biogás 2.4.1 Motor de combustão interna 2.4.1.1 Princípio de funcionamento 2.4.1.2 Rendimento térmico 2.4.1.3 Relação ar/combustível 2.4.1.4 Rendimento volumétrico 2.4.1.5 Rendimento total 2.4.1.6 Processo de combustão no motor diesel 2 2.4.1.7 Efeito de velocidade 2.4.1.8 Regulação da velocidade 2.5 Produção de energia elétrica – conceitos 2.5.1 Geração de corrente trifásica 2.5.2 Sistemas de excitação 2.5.2.1 Geração com excitação por escovas 2.5.2.2 Geradores com excitação sem escovas (brushless) 2.5.3 Características de desempenho 2.5.3.1 Potência nominal 2.5.3.2 Elevação de temperatura-classe de isolamento 2.6 Especificação do sistema de geração de energia 2.7 Grupo motor-gerador 2.7.1 Requisitos de energia 2.7.2 Tipos e classificação de sistemas 2.7.3 Tipos de cargas 2.7.4 Componentes de supervisão e controle 2.7.5 Requisitos de instalação 2.7.6 Vibrações 2.7.7 Níveis de ruído 2.7.8 Circulação de ar 2.8 Especificação do sistema 2.8.1 Dimensionamento 2.8.2 Considerações sobre o local 2.8.3 Considerações Ambientais 2.9 Monitoramento, controle e proteção – conceitos 2.9.1 Plataforma de atuação do SMCP 2.9.2 Sistema de monitoramento 2.9.3 Sistema de controle 2.9.3.1 Controle de máquina primária 2.9.3.2 Controle da mistura ar/gás 2.9.3.3 Controle da velocidade de rotação do motor 2.9.3.4 Controle da tensão do gerador 2.9.3.5 Controle do fator de potência 2.9.3.6 Sistema de proteção 2.9.3.7 Arquitetura do sistema 2.9.4 Componentes do SMCP 2.10 Estudos, testes e operação experimental 2.10.1 Configuração e modelagem da rede elétrica 2.10.2 Premissas e critérios 2.10.2.1 Características técnicas 2.10.2.2 Coordenação de Proteção 2.10.2.3 Critérios para simulação das faltas 2.10.2.4 Premissas para o ajuste das proteções do gerador 2.10.3 Casos simulados 2.10.4 Testes laboratoriais 2.10.5 Operação experimental 2.10.5.1 Requisitos técnicos operativos 2.10.5.2 Requisitos dos equipamentos para supervisão da operação 2.10.5.3 Análise do comportamento do sistema de proteção 3 4 motivadas principalmente pelo entusiasmo inicial que este processo atingiu. No ano de 1859. De acordo com Costa (2006). considerou que esta fermentação podia constituir uma fonte de aquecimento e iluminação. ao apresentar à Academia das Ciências os trabalhos do seu aluno. com poucos recursos de capital e energia. Segundo Costa (2006). atualmente o biogás não é mais encarado apenas como um subproduto obtido a partir da decomposição anaeróbia. foi descoberto por Shirley em 1667. No entanto. Entretanto. aluno de Louis Pasteur. realizou a fermentação anaeróbia de uma mistura de estrume e água.1. a 35 ºC. o gás metano dos digestores anaeróbios voltou a despertar o interesse tanto por países ricos como países de Terceiro Mundo. No entanto.1. Se torna alvo de fortes pesquisas. teve lugar a primeira experiência européia. como era chamado. o biogás desempenhou um papel de certa importância.1 Biogás no Brasil A biodigestão anaeróbia é um processo conhecido há muito tempo e seu emprego para a produção de biogás para a conversão em energia de cozimento. no intuito de criar novas formas de produção energética que possibilitem a redução do uso dos recursos naturais não renováveis. conseguindo obter 100 litros de gás por m3 de matéria. na Índia. a idéia de aproveitar o gás metano produzido por digestão anaeróbia. desencorajou a recuperação do biogás na maioria dos países desenvolvidos. sobretudo em pequenos aglomerados rurais. A partir da crise energética dos anos 70. que são impulsionadas pelo aquecimento da economia nos últimos anos e a elevação acentuada do preço dos combustíveis fósseis. foi só um século mais tarde que Volta reconheceu a presença de metano no gás dos pântanos. Louis Pasteur. Já no século XIX. gás dos pântanos ou fogo fátuo. FUNDAMENTOS BIOLÓGICOS BIOCONVERSÃO PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E 1. Em 1884. se realizou a primeira experiência de utilização direta de biogás. iluminação e 5 . a relativa abundância das fontes de energia tradicionais. a que se seguiram outras experiências. segundo Castañón (2002). No entanto. já não era estranha. 1. na Índia e China. Ulysse Gayon. Nas décadas de 50 e 60. com a utilização do biogás para iluminação de algumas ruas da cidade de Exter.1 Histórico do biogás Provavelmente o biogás. Já em 1895. na Inglaterra. este combustível não conseguiu substituir os tradicionais. só voltando a ser utilizado na década de 40 impulsionado pela crise energética provocada pela II Guerra Mundial. em Bombaim. em nenhum país o uso desta tecnologia alternativa foi tão acentuado como na China e Índia. a recente crise mundial. dando um novo impulso ao uso do biogás.1 A biodigestão anaeróbica A degradação anaeróbia de substratos orgânicos é um processo fermentativo e oxidativo que acontece sob condições anaeróbias. passou a ter importância no Brasil. Atualmente este mercado está bastante aquecido em função da publicação pela ANEEL em dezembro de 2009.2. Os objetivos dos programas governamentais eram de reduzir a dependência das pequenas propriedades rurais na aquisição de adubos químicos e de energia térmica para os diversos usos (cozimento. Vantagens e desvantagens dos processos anaeróbios Vantagens Desvantagens 6 . transformaram a expectativa inicial em grande frustração. principalmente para a agropecuária na esperança de que os projetos e as Reduções certificadas de emissão (RCEs) por si só viabilizariam os empreendimentos. reduzir a poluição causada pelos dejetos animais e aumentar a renda dos criadores. A Tabela 1 apresenta algumas características da digestão anaeróbia. dentro do MDL. é muito importante e apresenta a tendência de crescimento e valorização sob a ótica do aquecimento global. aquecimento. intensificou-se nas décadas de 70 e 80. a geração de energia elétrica que até pouco tempo não eram consideras nos projetos. a exemplo da China e Índia. O biogás.como biofertilizante é muito popular como já mencionado anteriormente nos países asiáticos.2 Como o biogás é gerado 1. no Brasil. acabaram sendo desativados. No entanto. não pode ser visto apenas como única alternativa para o biogás e sim como parte das várias possibilidades para utilização dentro do leque das energias renováveis. iluminação e refrigeração). da instrução normativa 390/09 regulamentando a geração distribuída de energia elétrica com biogás e saneamento ambiental. na ausência de oxigênio. especialmente entre os suinocultores. 1. No final da década de 90. Tabela 1. bem como. ou seja. dificuldades operacionais. No final da década passada. Infelizmente. O interesse pelo biogás. os resultados não foram os esperados e a maioria dos sistemas implantados. um novo movimento envolvendo o interesse no biogás começou a aparecer motivado pela possibilidade da inserção dos processos de anaerobiose no mercado de carbono via MDL (mecanismo de desenvolvimento limpo). Programas oficiais estimularam a implantação de muitos biodigestores focados principalmente. Em 2005 com a ratificação da Rússia no protocolo de Quioto. grande euforia foi gerada. na geração de energia e na produção biofertilizante e diminuição do impacto ambiental. A flutuação dos preços recebidos na comercialização das RCEs. Tolerância a elevadas cargas orgânicas. gorduras. cerca de 5 a 10 vezes menor à que ocorre nos processos aeróbios. precisam ser mais estudadas. ausência do lodo de semeadura adaptado. Aplicabilidade em pequena e grande escala. Moléculas orgânicas complexas Ex: polissacarídeos. Remoção de nitrogênio. 2008 O entendimento do processo de obtenção do biogás é de grande importância para o sucesso da tecnologia de aproveitamento do biogás. aminoácidos. Hidrólise Monômeros Ex: glicose. Acidogênese 7 . porém controláveis. e patogênicos insatisfatória. Isso faz com que os sistemas tenham custos operacionais muito baixos. um gás combustível digestão anaeróbia são complexas e ainda de elevado teor calorífico. Fonte: Adaptado de Chernicharo. A partida do processo pode ser lenta na Baixo consumo de energia. Alguma forma de pré-tratamento é usualmente necessária. Possibilidade de geração de maus odores. e no qual recai maior interesse. Baixa demanda de área. os processos de utilização poderão estar seriamente prejudicados ou até inviabilizados. ácidos graxos. haja vista que são complementares e. As bactérias anaeróbias são susceptíveis à inibição por um grande número de compostos. ou seja são interdependentes. em que um dos produtos finais da degradação. O mecanismo de decomposição anaeróbia se desenvolve pela ação de um consórcio de microrganismos que acontecem de maneira imbricada. fósforo. A bioquímica e a microbiologia da Produção de metano. é o metano (Figura 1).Baixa produção de sólidos. caso não se tenha os devidos cuidados na geração. A hidrólise dos polímeros usualmente ocorre de forma lenta. ACIDOGÊNESE Os produtos solúveis oriundos da fase de hidrólise são metabolizados no interior das células das bactérias fermentativas. os quais são então excretados pelas células. estes são usualmente designados de bactérias fermentativas acidogênicas. cetonas Acetogênese Acetato. concentração de NH4+-N.Ácidos orgânicos. gás carbônico.2 Descrição das principais etapas da degradação anaeróbica HIDRÓLISE Uma vez que as bactérias não são capazes de assimilar a matéria orgânica particulada. tamanho das partículas. álcoois. 2005). concentração de produtos da hidrólise ( ex. ácido lático. Etapas da degradação anaeróbia (BITTON.2. álcoois. composição do substrato ( ex. H2 Metanogênese Metano Figura 1. carboidrato. além de novas células bacterianas. tempo de residência do substrato no reator. hidrogênio. CO2. 1. sendo convertidos em diversos compostos mais simples. Como os ácidos graxos voláteis são o principal produto dos organismos fermentativos. proteínas e gordura ). pH do meio. a primeira fase no processo de degradação anaeróbia consiste na hidrólise de materiais particulados complexos (polímeros ) em materiais dissolvidos mais simples ( moléculas menores ) os quais podem atravessar as paredes celulares das bactérias fermentativas. sendo vários os fatores que podem afetar o grau e a taxa em que o substrato é hidrolisado: temperatura operacional do reator. amônia e sulfeto de hidrogênio. A maioria das bactérias acidogênicas são 8 . Esta conversão de materiais particulados em materiais dissolvidos é conseguida através da ação de exoenzimas excretadas pelas bactérias fermentativas hidrolíticas.: teores de lignina.: ácidos graxos voláteis ). Os compostos produzidos incluem ácidos graxos voláteis. As metanogênicas utilizam somente um limitado número de substratos. Porém pelo menos 50% da DQO biodegradável é convertida em propianato e butirato. metilaminas e monóxido de carbono. compreendendo ácido acético. De todos os produtos metabolizados pelas bactérias acidogênicas. ACETOGÊNESE As bactérias acetogênicas são responsáveis pela oxidação dos produtos gerados na fase acidogênica em substrato apropriado para as bactérias metanogênicas. 9 . fazendo com que o valor do pH no meio aquoso decresça. lignina e compostos artificiais. Isso é particularmente importante. •Composição química do resíduo: substâncias orgânicas facilmente biodegradáveis. apenas o hidrogênio e o acetato podem ser utilizados diretamente pelas metanogênicas. METANOGÊNESE A etapa final no processo global de degradação anaeróbia de compostos orgânicos em metano e dióxido de carbono é operado por micororganismos metanogênicos dentro do domínio archae (grupo archeobactéria) diferente das bactérias típicas (eubactérias). as bactérias acetogênicas fazem parte de um grupo metabólico intermediário que produz substrato para as metanogênicas. metanol.anaeróbias estritas.2. ácido fórmico. como os carboidratos. 1. Os produtos gerados pelas bactérias acetogênicas são o hidrogênio. e o segundo que produz metano a partir de hidrogênio e dióxido de carbono (hidrogenotróficas). A decomposição da matéria orgânica na presença de oxigênio irá produzir apenas dióxido de carbono (CO2). uma vez que as bactérias estritas são protegidas contra a exposição ao oxigênio eventualmente presente no meio. Abaixo são citados e discutidos os de maior relevância. uma grande quantidade de hidrogênio é formada. mas cerca de 1% consiste de bactérias facultativas que podem oxidar o substrato orgânico por via oxidativa. os quais são posteriormente decompostos em acetato e hidrogênio pela ação das bactérias acetogênicas. um que forma metano a partir de ácido acético ou metanol (acetoclásticas). hidrogênio/dióxido de carbono. proteínas e lipídeos. Em função de sua afinidade por substrato e magnitude de produção de metano. como celulose. o dióxido de carbono e o acetato. Durante a formação dos ácidos acético e propiônico. proporcionam uma maior produção de metano do que as substâncias de difícil degradabilidade. as metanogênicas são divididas em dois grupos principais. •Impermeabilidade ao ar: as bactérias produtoras de metano são anaeróbias.3 Fatores que afetam a produção do biogás Vários fatores podem afetar a eficiência da produção de biogás. Dessa forma. especialmente as bactérias. implicando na diminuição do pH. Daí a importância de se estudar a pertinência do controle da temperatura da biomassa para garantir a uniformidade da geração de biogás.4. •Alcalinidade: A alcalinidade é importante. podem ser classificados de acordo com a temperatura. em três grandes grupos:  Termófilas: cuja temperatura ótima gira em torno de 60ºC. a estabilidade da produção de metano pode ser mantida com um pH entre 6. 2007 Figura 2: Influência da temperatura sobre as taxas relativas de crescimento de arqueas metanogênicas.•Temperatura: Nos sistemas biológicos.  À medida que aumentamos a temperatura também temos um incremento na produção de biogás (Figura 2). o carbonato/bicarbonato consomem estes ácidos. A faixa de pH ótima é o resultado das diversas reações que ocorrem. o pH se manterá próximo a neutralidade não afetando a eficiência da geração de biogás.6 a 7. conforme as bactérias produzem ácidos e dióxido de carbono. a alcalinidade total é praticamente 10 .0 e 8. impedindo grandes flutuações de pH (efeito tampão). Fonte: Chernicharo. Caso o processo se mantenha dentro das condições de normalidade. a influência da temperatura é bastante importante. Quando a quantidade de ácidos voláteis presentes é pequena. •pH: as bactérias que produzem o metano têm um crescimento ótimo numa faixa de pH entre 6. pois as velocidades das reações bioquímicas são diretamente afetadas pela temperatura Os microrganismos. Contudo.  Psicrófilas: com temperatura ótima girando em torno de 15ºC. pois. Em regiões com grande amplitude térmica a produção de biogás pode ser comprometida e à termperaturas de biomassa muito baixa pode até mesmo cessar.  Mesófilas: com temperatura ótima em torno de 37 ºC.0. riboflavina e vitamina B12. portanto quando utilizados devem ser manejados corretamente para que sua entrada no biodigestor não iniba a atividade biológica. em ordem decrescente de importância. ferro. para resíduos de animais não é necessário fazer suplementação de nutrientes para a biodigestão anaeróbia. concentração de metano e concentração de gases inertes e/ou ácidos. dependendo da aplicação. Por isso. Sua combustão apresenta uma chama azul-lilás e. e nitrogênio (N2) presentes a baixas concentrações (Tabela 2). Mas quando for neutralizado pelos ácidos voláteis é que ocorrerá a queda do pH. enxofre. hidrogênio (H2). umidade. temperatura. conseqüência de um desequilíbrio do processo.igual à alcalinidade em bicarbonato. cobalto. Via de regra. inseticidas e desinfetantes no biodigestor pode inibir a atividade biológica diminuindo a capacidade do sistema em produzir biogás. com 11 . selênio. convertendo o CH4 para CO2. ocorre um aumento na concentração de ácidos voláteis. Trata-se de um gás incolor. há a necessidade da sua queima. redução da umidade ou mesmo a elevação da pressão. são: nitrogênio. fósforo. inodoro. eles são neutralizados pela alcalinidade em bicarbonato. Durante um certo tempo as substâncias que exercem tamponamento (alcalinidade do meio) impedem a queda do pH. níquel. Um exemplo disso é a biodigestão de soro de leite que pela degradação causa acidificação do meio. •Acidez: a acidez do meio está diretamente relacionada com o pH e com a alcalinidade. Uma alta produção e acúmulo de ácidos voláteis pode consumir rapidamente a alcalinidade do meio e causar a redução do pH.3 Características do biogás As características do biogás dependem da pressão. • Produção e consumo de ácidos orgânicos: O valor de pH durante a biodigestão anaeróbia está ligado à produção de ácidos graxos e a degradação de seus compostos em metano. molibdênio. às vezes. O metano produzido no processo de digestão anaeróbica pode causar grande impacto ambiental se for liberado diretamente na atmosfera. sendo outros gases como gás sulfídrico (H2S). •Nutrientes: Os principais nutrientes para as populações microbianas. O metano (CH4) é um gás que tem um potencial de efeito estufa 21 vezes maior que o do dióxido de carbono contribuindo substancialmente para o agravamento do efeito estufa e conseqüentemente do aquecimento global. Em temos gerais. • Outros interferentes: A entrada de antibióticos. pode ser necessária a redução da concentração de H2S. altamente combustível. CO2. Quando os ácidos voláteis aumentam. o biogás é composto majoritariamente por metano e gás carbônico. Quando as condições ótimas de digestão anaeróbia são prejudicadas. a fim de diminuir o impacto causado ao meio ambiente. 1. Pode ser usado nas condições em que é gerado e. bastante simples e robusto.3 1-5 No sentido de reduzir os custos. Este Kit. se propõe a ser uma ferramenta de apoio ao usuário de biogás para que este possa conhecer a qualidade do biogás e. facilitar a medida de biogás a campo e melhorar as ferramentas para tomada de decisão envolvendo a qualidade do biogás. quando necessário.40 1-3 0. Não produz fuligem e seu índice de poluição atmosférico é inferior ao do butano. Figura 3: Detalhe da amostragem de biogás em biodigestores (esquerda) e do Kit para análise de biogás. lançar mão de alguma ferramenta no manejo ou no próprio biodigestor visando melhorar a eficiencia. a Embrapa Suínos e Aves desenvolveu um Kit para amostragem e análise de biogás (Figura 3). 2006 Símbolo CH4 CO2 H2 N2 H2S.pequenas manchas vermelhas. NH3 Concentração no Biogás (%) 50 . A figura 4 mostra um exemplo de aplicação do kit biogás. Tabela 2– Principais gases que compõe o biogás Gás Metano Dióxido de carbono Hidrogênio Nitrogênio Gás sulfídrico e outros Fonte: COLDEBELLA.80 20 . visando-se observar a mudança na composição de metano em função da temperatura ambiente no biodigestor. 12 .5 . presente no gás de cozinha. CO. atingindo até cerca de 70 %. mais rico é o biogás.69 <50 O potencial energético do biogás varia em função da presença de metano em sua composição: quanto mais metano. Tabela 3 – Solubilidade de alguns gases em água Componentes Metano Gás carbônico Amônia Gás sulfídrico Mercaptanas Fonte: LIMA. 2005 Solubilidade (g L-1) 0.19 1.(Tabela 4). em média. quando é gerado em reatores anaeróbios de efluentes a concentração média é mais elevada. apresenta menor poder calorífico. de 50%. em conseqüência do menor conteúdo de metano. a proporção de metano é. Quando originário de aterros sanitários. No entanto. comparado com o gás natural (até 95% de metano).064 520 4.Metano Biodigestor X temperaturas Mês BIODIGESTOR Xmax Xmin Figura 4: Composição temporal do biogás coletada de um biodigestor e analisada com o kit biogás. Esta informação pode ser útil para escolha do sistema de purificação do gas adaptado a necessidade do usuário. haja vista que os sistemas envolvendo lavagem do biogás podem aumentar significativamente seu poder calorífico pela remoção do CO2. Os gases presentes no biogás também apresentam solubilidade em água bastante diferenciadas (Tabela 3). 13 Médias das temperaturas mensais max e min 100 80 60 40 20 0 30 25 20 15 10 %metano .025/0. 812 809 24. deve-se ter uma precaução. A armazenagem do biogás também é um processo difícil devido ao fato do metano ter um volume específico muito alto e ser de difícil compressão (Tabela 6). (1992). Entretanto.400 1. com poder calorífico inferior (PCI) em torno de 19500 KJ/Kg.490 1 m3 23.000 0.613 litros 0. Portanto. se o volume total for grande. kJ/kg Fonte: Silva e Lucas Jr. a mistura de 5%-14% de metano e ar pode explodir com a ignição.553 litros 0. este armazenamento deve ser feito em um reservatório adequado. o biogás constitui-se como uma boa fonte de energia (Tabela 4 e 5). Metano 1 m3 36.500 Tabela 5 – Comparação entre biogás e outros combustíveis 1m3 de biogás equivale a 0. segundo LIMA 2005. O armazenamento do biogás é necessário na maioria das vezes.2 19.000 Álcool 1 litro 19. Biogás Combustível Quantidade Calor liberado kJ Peso específico kg/m3 Poder Cal.454 litros Combustíveis Gasolina Querosene Óleo diesel Gás de cozinha (GLP) 14 . pois. Pode ser transportado e armazenado.72 50.579 litros 0. Tabela 4: Poder calorífico do biogás comparado a outros combustíveis. Inf.Segundo Lima (2005). 60 C.52a 543.555a Gás sulfídrico (H2S) 34.70 C.Lenha Álcool hidratado Eletricidade Fonte: Gaspar. 1 atm .04 0. 2003 1. 1 atm o o o Sob o ponto de vista de utilização e composição do biogás especial atenção deve ser dispensada a presença de H2S que é um gás corrosivo e pode atacar tubulações e peças metálicas do biogás.2 cm3/gb Volume específico 1473. c .189b 699. 15 .536 Kg 0.790 litros 1.1 cm3/gb Propriedade Peso molecular Peso específico Ar=1 Metano (CH4) 16.01 1.Propriedades físicas do metano. 2006 Nota: a . gás carbônico e gás sulfídrico Dióxido de carbono (CO2) 44. b .77 C.3 cm3/ga Fonte: PECORA.428 Kw Tabela 6. 1 atm .08 1. 8 2.79 0.84 DBO Kg Média 1.48 0.P. Tipo de animal1 Parâmetro Unidade Gado de Suíno Frango Poedeiras leite de corte Dejeto total Kg Média 86 84 85 64 D.91 DQO Kg Média 11 8.72 ** 0.84 0.66 0.7 16 .Figura 5: Detalhe de sistema de medida (esquerda) e compressão (direita) afetados pela oxidação causadas por H2S em linha de biogás A necessidade de remoção de H2S em muitos casos deverá ser uma estratégia usada para segurança do sistema e aumento de vida útil dos equipamentos. A Tabela abaixo mostra a geração de efluentes animais e suas características. 2.4 3. 1.5 12 12 voláteis D.P.4 4.4 Composição dos resíduos para geração do biogás A composição do resíduo irá influenciar a escolha do biodigestor.7 1.4 16 11 D.6 3.3 Sólidos Kg Média 10 8.1 ** 3.3 1.P.P. 0.3 D. 17 24 13 19 Sólidos Kg Média 12 11 22 16 Totais D.7 6. Tabela 7: Produção de dejetos e características por 1000 kg de animal vivo por dia. 0. 2.P. manejo a ser adotado e também a eficiência do biodigestor na geração de biogás. 8 0.18 m3 biogás/ kg esterco 0.21 0.053 3.9 0. pH.8 0. que é o substrato para o crescimento dos microrganismos no biodigestor (Tabela 3). que fazem com que sejam 17 Kg esterco/ Animal/dia 10-15 2. Fonte: OLIVEIRA (1993).P.2.50 0.079 0.094 0.1 0. Média D. Média D.84 110 100 7.0 2.e Encarnação.24 ** ** 0.0 0.P.14 1100 2800 16 28 7.1 Capacidade de geração de biogás em função de diferentes resíduos A geração de biogás a partir de resíduos animais é dependente.5 1.84 45 33 18 12 ** ** 1.079 0.65 0.P.5 0.096 0.P.P.6 ** 0.45 0.98 ** ** ** ** ** 6.5 2. além da temperatura. D.P.31 0. também da própria característica do resíduo.56 0. alcalinidade e do manejo adotado no sistema de produção de animais confinados (SPAC). 7.18 0.84 0. Essa diferença na capacidade de geração de biogás está associada a vários fatores.57 0.014 .0 Todos os valores em peso úmido.083 0. Média D.0.3 .18 0. Média D. Tabela 8: Potencial de geração de biogás a partir de diferentes resíduos orgânicos animais Animal (Peso vivo) Bovino (500 kg) Suíno (90 kg) Aves (2.P.10 0.024 1. Média D.pH N-TKN N-NH3 P-Total Zinco Cobre Kg Kg Kg g g Coliformes Colônias Totais Coliformes Colônias termotoleran tes 1 Média D.29 0.36 0. Média D.52 0.31-0.2 0.24 0.30 0.37 .081 19 33 0.5 kg) SV: Sólidos voláteis.P.10 5. como dieta dos animais e sistema digestivo.62 m3 biogás/ animal/dia 0. Média D.094-o.45 0.12 .22 0. = desvio padrão Fonte: Kunz.P.0.83 0.21 0.038 0.050 m3 biogás/ Kg SV 0.4.45 0.30 0. 2007 1. Região (m 3 América do Norte Europa Ocidental Leste Europeu Oceania América Latina África Oriente médio Ásia Subcontinente Indiano B0 CH4 .produzidos resíduos de características distintas com diferentes potencialidades na produção de biogás.45 0.29 0. Figura 6: Transformação de sólidos voláteis em um biodigestor. KgSV-1 0.45 0. pois este parâmetro está associado a fração biodegradável do efluente (Figura 6).48 0.29 0. Na digestão anaeróbia o parâmetro sólidos voláteis é muito utilizado para avaliação das capacidades de geração de biogás.45 0.29 Fonte: IPCC (2006) – Chapter 10 – Emission from livestock and manure management 18 .29 0. A eficiência é variável em função do biodigestor.29 0. Tabela 9: Capacidade máxima de geração de metano (B0) para diferentes regiões para dejetos de suínos. Os SVs são utilizados inclusive para os projetos de mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) (Tabela 9). 20 * Capacidade máxima de geração de biogás ** Capacidade máxima de produção de metano ***Biodigestor do tipo lagoa coberta 1.A capacidade de geração de biogás também dependerá da eficiência do biodigestor podendo variar de acordo com o tipo do digestor e condição operacional a qual ele é submetido (Tabela 10).21 536 34 62 0.1 Modelo de biodigestores 19 .69 189 25 74 1.d .32 322 29 67 0.56 1.33 0.31 0. 2007) 0. 2008) 0. Geração de biogás 3 -1 -3 Qualidade do biogás CMGB* HS 2 B 3 ** 0 (m .KgSV-1) 3 (m . Quando maior o nível de controle e tecnologia útilziada.09 BLC*** (Kunz.43 1.5. 2007) (%) (%) 0.21 BLC(Vivan.m ) CO 2 CH 4 (m . 2005) 0. Tabela 10: Capacidade de geração de biogás de reatores UASB e Biodigestores para dejetos de suínos.83 124 21 76 1.KgSV-1) (ppm) UASB escala piloto (Costa.15 UASB (Kunz.5 Biodigestor O biodigestor é o reator biológico onde acontecem sob condições controladas os processos já discutidos acima. 1. tanto maior será a probabilidade de aumento da eficiência do sistema. Nesse biodigestor a fermentação é mais rápida. A função da parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da câmara de fermentação.Biodigestor modelo Indiano.•Biodigestor modelo indiano: Possui uma campânula como gasômetro. como mostram as figuras 7 e 8. vista frontal Fonte: PECORA. Já que fica no solo. favorecendo a ação das bactérias. 2006 20 . é imprescindível o cuidado com infiltrações no lençol freático. e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras. pois aproveita a temperatura do solo que é pouco variável. Figura 7 . Funciona com base no princípio de prensa hidráulica. e em sentido contrário se houver descompressão. servindo para o armazenamento do biogás. com teto impermeável. se houver aumento de pressão em seu interior.Figura 8: Biodigestor modelo indiano vista superior •Biodigestor modelo chinês: É formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria para fermentação. 21 . ocorrerão deslocamentos do efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída. A figura 9 é mostra a vista frontal de um biodigestor modelo chinês. devido ao acúmulo de biogás. ou seja. Figura 9 . 22 . 2006 •Biodigestor modelo lagoa coberta: Este modelo de biodigestor. vista frontal Fonte: PECORA. aproveita a geometria das lagoas anaeróbias de tratamento com a sua cobertura visando a captura do biogás gerado (Figura 10). O mercado de créditos de carbono também contribui para a popularização de sua utilização uma vez que captura o biogás que seria emitido pelas lagoas anaeróbias.Biodigestor modelo Chinês. Estes biodigestores tiveram um grande interesse pela sua utilização nos últimos anos motivado pela evolução na tecnologia de geomembranas. também conhecido como modelo canadense ou da marinha. por exemplo. Uma limitação destes reatores baseia-se no fato de não tolerarem altas concentrações de sólidos na alimentação do sistema necessitando uma boa separação sólido-líquida prévia. Figura 11: Reator UASB (esquerda) com detalhes de seu funcionamento interno.Biodigestor modelo lagoa coberta Fonte: Embrapa/Master agropecuária Reatores do tipo UASB: Estes reatores anaeróbios apresentam um alto desmpenho na produção de biogás.Figura 10 . o da empresa BioKöhler no estado do Paraná (figura 12). 23 . Algumas variações destes reatores tem sido desenvolvidos e utilizados para tratamento de resíduo animal como. caracterizam-se pelo fluxo ascendente dos efluentes (Figura 11). Figura 12: Variação de modelo UASB utilizado no projeto condomínio de agroenergia – Marechal Cândido Rondon – PR Biodigestores de alto rendimento: Estes biodigestores utilizam um alto nível tecnológico para geração de biogás (Figura 13), controlando de maneira bastante confiável todo o processo de geração de biogás (temperatura, agitação, etc). São bastante utilizados na Europa (Alemanha, Áustria, Dinamarca, etc.) para geração de biogás para co-processamento de resíduos animais e vegetais (Figura 14). 24 Figura13: Diagrama de uma usina para geração e purificação de biogás. Figura 14: Biodigestor de mistura completa para processamento de resíduos animais e vegetais. O nível tecnológico a ser escolhido para geração de biogás é uma decisão do usuário, contudo é importante que se tenha ciência dos limites de cada tecnologia no que diz respeito a geração de biogás (figura 15). Os biodigestores de lagoa coberta, por exemplo, tem como vantagem o seu baixo custo. No entanto, não se pode esperar que estes reatores operem a mesma eficiência de biodigestores de mistura completa em faixas mesofílicas com controle de temperatura. 25 Figura 15: Produção de biogás por quatro diferentes tipos de digestores anaeróbios. Barra de erros representa os intervalos dos valores reportados. (fonte: Cantrell e col. 2008). 1.6 Noções sobre dimensionamentos de biodigestor Conforme já discutido anteriormente existem muitas variáveis que influenciam o bom funcionamento de um biodigestor e afetam diretamente a capacidade do sistema gerar biogás. Abaixo discutiremos brevemente apenas duas: 1.6.1 Carga orgânica volumétrica (COV) Este parâmetro representa a quantidade de matéria orgânica que pode ser aplicada ao biodigestor por unidade de tempo e por volume do reator, ou seja, é a concentração multiplicada pela vazão e dividido pelo volume do reator. Onde: COV = Carga orgânica volumétrica (Kg SV . m-3 . d-1) C = concentração (Kg SV m-3) Q = vazão (m3 . d-1) V = volume (m-3) Os sólidos voláteis são escolhidos como principal parâmetro, pois conforme discutido acima estão associados a fração biodegradável que produzirá o biogás. A carga de SV, para resíduos de animais, flutua de 0,5 a 1,5 Kg SV . m -3 . d-1 para 26 biodigestores de baixa carga e de 1,5 a 3,5 Kg SV . m -3 para biodigestores de alta carga (que operam em condições termofílicas). 1.6.2 Tempo de retenção hidráulica (TRH) O TRH representa o tempo que o efluente permanece no interior do reator, será função do volume e da vazão de alimentação do biodigestor. Onde: TRH = Tempo de Retenção Hidráulica (d) V = volume (m-3) Q = vazão (m3 . d-1) O dimensionamento do biodigestor considerando-se apenas o parâmetro TRH muitas vezes pode ser perigoso, pois pode levar a erros de sub ou super dimensionamento, devido ao fato de não considerar a concentração do efluente. No entanto, o TRH é bastante utilizado em função de sua praticidade haja vista que não requer análises de laboratório para o cálculo do volume. De maneira geral flutuam de 20 a 40 dias para biodigestores de baixa carga e de 10 a 20 dias para biodigestores de alta carga. 1.7 Manejo dos resíduos antes de entrar no biodigestor A condição de alimentação do biodigestor e a qualidade dos resíduos são de extrema importância para garantir uma contínua e uniforme geração de biogás pois caso isso não seja corretamente executado poderá prejudicar todo o processo. 1.7.1 Condições e manejos nas instalações A entrada de água de chuva (Figura 16) e a excessiva diluição dos dejetos com água para lavagem e vazamentos na rede hidráulica podem comprometer a geração do biogás pela diluição dos dejetos. 27 28 . também melhora as características estéticas da granja. reduz odor e a proliferação de moscas. além de garantir um efluente de boa qualidade. A qualidade do sistema de coleta e transporte dos dejetos (Figura 17).Figura 16: Detalhe de entrada de água de chuva na linha de dejetos de bovinos. 19 mm 2 mm Crude TS (mg/L) 22 29 38000 36000 34000 32000 30000 1 8 15 Day 0.971x + 1010. como amônia.35 mm 0. Figura 19: Mapeamento de instalações e rede coletora de dejetos de suínos na Embrapa Suínos e Aves. no interior das instalações (Figura 18). Longos tempos de armazenagem dos dejetos nas calhas também comprometem sua qualidade pela degradação e aumento de gases.5 mm 1.Figura 17: Detalhe de uma instalação de produção de suínos com sistema de coleta de dejetos fechado e com caixas de inspeção. 1800 1700 1600 42000 y = 23.35 mm 0.19 mm 2 mm 22 29 Figura 18: Produção de amônia pela armazenagem dos dejetos a diferentes tempos e condições de filtração (esquerda) e varação na concentração de sólidos (direita).9845 2 40000 N-NH3 (mg/L) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 1 8 15 Day 0.5 mm 1.7 R = 0. 29 . Neste sentido recomenda-se que as redes coletoras de dejetos sejam marcadas (Figura 19) e que não permaneçam armazenados nas instalações por um período superior a 7 dias. ex: biodigestão de resíduos a avicultura.2 Regime de Alimentação Basicamente temos dois regimes de alimentação de biodigestores. a alimentação se dá com entrada e saída simultânea dos efluentes. Contínuo: Neste sistema. digestão e descarte. A separação de sólidos pode ser feita em diversos níveis. devemos entender que a separação sólido-líquida dos resíduos animais pode ser interessante para impedir a entrada de materiais inertes (sólidos fixos) no biodigestor (veja figura 6). Este regime é mais utilizado quando a concentração de sólidos é mais elevada. Estes materiais podem se acumular no biodigestor e diminuir muito a capacidade de geração de biogás. pois isto pode causar o assoreamento dos biodigestores. mas uma separação de sólidos simples com peneiras ou telas (Figura 21) ou caixa de areia (figura 20) ajuda a remover os materiais inertes além de evitar o entupimento de bombas e linhas de transmissão.: biodigestores de mistura completa têm uma tendência menor a depositarem sólidos comparados a reatores do tipo pistão e sem agitação (como as lagoas cobertas).7.1. Como o manejo das granjas geralmente não permite este regime. ex.7. são operados em sistemas semi-contínuos. Muito importante ressaltar-se a necessidade de se evitar grandes variações de vazão. Em batelada: Estes reatores trabalham com ciclos de alimentação.3 Separação de sólidos A separação sólido-líquida envolvendo a digestão anaeróbia é bastante polêmica. 30 . Os que operam em regime batelada e os que operam em regime contínuo. 1. No entanto. A maior ou menor acumulação será afetada diretamente pelo regime hidráulico do reator. Existe um grande receio por parte dos usuários de que possa comprometer a geração de biogás pela retirada de uma grande quantidade de sólidos voláteis. G. 2.Figura 20: Conjunto de telas utilizadas para separação de sólidos grosseiros em uma unidade de produção de suínos. originado a partir dos rejeitos rurais. 2005. Cantrell.B. 2001. Livestock wster-to-bioenergy generation opportunities. Ducey. Reatores anaeróbios. Programa Interunidades de Pós-Graduação – EPUSP – FEA – IEE – IFUSP. Biogás. Hunt.8 Referências bibliográficas 8 . Minas Gerais: UFMG. CASTAÑÓN. Bioresource Technology (2008) 7941-7953. Universidade de São Paulo – USP. T. 2002. K. São Paulo. Ro. Nota técnica VII – Geração de energia a partir do biogás gerado por resíduos urbanos e rurais. P. Wastewater microbiology.Referências Bibliografias BITTON.. Carlos Augusto de Lemos. New York. f66. G. K. 2007. Willey-Liss. dejetos de 1..CENTRO NACIONAL DE REFERRENCIA EM BIOMASSA. Figura 21: Caixa de areia com deposição de sólidos fixos para tratamento de suínos.. ed. Norman Jesús B. NY.S. Ed. Florianópolis.. 31 . CENBIO . CHERNICHARO. Universidade de São Paulo – USP. . 22. v. v. R. de. 2005.. Kunz. PRADO.C. Viabilidade do uso do biogás da bovinocultura e suinocultura para geração de energia elétrica e irrigação em propriedades rurais. 2007. 2009. p. BORTOLI. Programa Interunidades de PósGraduação em Energia – PIPGE (EP/FEA/IEE/IF). Tecnologias de manejo e tratamento de dejetos de suínos estudadas no Brasil. A. P. Brasilia: Embrapa Informaçao Tecnológica. LIMA. 14. STEINMETZ. p. COLDEBELLA. 14. Universidade Federal de Lavras. 320-325. A. n0 3. (Embrapa-CNPSA. coord. Aproveitamento de dejetos animais para geração de biogás. Eficiência da interação biodigestor e lagoas de estabilização. COSTA. VIVAN. Oliveira. 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Este desenvolvimento ocorreu mais fortemente a partir do final do século XVIII e o desenvolvimento da máquina a vapor e seu uso intensivo na Revolução Industrial. a transformação da sociedade deu-se de forma avassaladora e a necessidade de novas fontes de energia para os mais diversos usos é uma busca contínua da sociedade. serão apresentados os conceitos relativos aos processos de conversão de energia. 2. Esta é a forma mais comum de se transportar energia para a sua utilização nos processos produtivos e surgiu como forma de substituir a energia da máquina a vapor.  a energia cinética das moléculas de ar podem ser convertidas em energia cinética de rotação pelo rotor de uma turbina eólica. produz eletricidade. como o gás natural. A partir deste período até os dias atual. por meio de processos químicos.2. No entanto. Neste documento. principalmente aqueles vinculados diretamente ao uso do biogás e sua vinculação direta com a produção de energia elétrica. que ao acionar uma turbina acoplada diretamente ao eixo de um gerador elétrico. Esta não pode ser criada. que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica através de um gerador acoplado ao rotor da turbina. pode ser convertida a partir da energia cinética do movimento da água que. também produz energia elétrica.1 Introdução A Energia pode ser encontrada das mais diversas formas na natureza e esta fundamental para a vida humana. Energia pode ser definida como a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer. serão tratados os principais aspectos. Os exemplos acima demonstram algumas das formas de conversão da energia para produzir eletricidade que será usada movimentar um equipamento. máquina ou 33 . a transformação e o uso final da energia. Ademais. nas suas mais diversas formas. pode ser utilizado para o aquecimento da água e geração de vapor. a energia pode ser transformada ou transmitida de diferentes formas.  a energia potencial. em energia elétrica em uma placa solar. CONVERSÃO DE ENERGIA 2.  a energia proporcionada por um combustível fóssil. o desenvolvimento da humanidade somente foi possível devido o conhecimento. como por exemplo:  a energia do sol pode ser convertida. componentes e sistemas relativos à produção de eletricidade a partir do biogás. acumulada no reservatório de uma usina hidrelétrica. Ao longo dos séculos e das mais diversas formas. ao movimentar o rotor de uma turbina hidráulica acoplada diretamente a um gerador elétrico. base da Revolução Industrial. o domínio. consumida ou destruída. . ou pela transformação indireta. moléculas de ar. a relação entre a energia que entra no sistema de conversão e a energia que sai desse sistema denomina-se rendimento. como. Esta situação e as correlações existentes entre as fontes naturais. sendo que em alguns casos ocorrem naturalmente – como exemplo. processos de transformação e uso final é mostrada na Figura 1. Assim. quilowatthora [kWh] ou 34 . onde parte da energia de entrada (fontes) é dissipada em função de. a fotossíntese -. nas residências. dentre outras perdas existentes no processo de conversão. combustíveis. formas e usos finais de Energia Nestes processos de conversão deve-se considerar o princípio da conservação da energia. etc.processo na indústria. no comércio. acoplamentos mecânicos. nas escolas. A capacidade de produção de energia em um período de tempo é expressa normalmente em watthora e seus múltiplos. atrito entre as engrenagens. rolamentos. aquecimento em enrolamentos elétricos. por exemplo. Figura 1 – Fontes. por exemplo. Esse processo de conversão e correlação com o uso final a partir de diferentes fontes de energia pode ocorrer por meio de processos químicos. 2. Nesta. Além disso.1 Princípio de conservação de energia O princípio da conservação de energia afirma que esta não é criada nem destruída. somada à parcela armazenada internamente no gerador e à parcela convertida em calor. Este princípio aplica-se aos diversos processos de conversão. apenas se transforma. Energia mecânica aplicada Energia elétrica produzida Energia armazenada Energia convertida em calor Figura 2 – Conversão eletromecânica de energia – Gerador Observa-se que a energia mecânica aplicada ao eixo motor de uma máquina primária ao qual está acoplado um gerador de energia elétrica resulta na energia elétrica produzida.8 barris no total de consumo final 3  1. expressa em watt [kW]. Outras relações são apresentadas na Tabela 1. e a mecânica newtoniana. também são aplicadas os conceitos. assim.868 PJ 2.1868 [cal] 1 kWh [quilowatt hora] = 3.600. sendo a radiação eletromagnética pode ser desprezável. Considerando-se que as frequências e velocidades envolvidas em tal processo são relativamente baixas quando comparada com a velocidade da luz. Assim. Esta mesma relação pode ser reescrita na aplicação da energia elétrica a um 35 . Tabela 1 – Unidades de Energia Unidades de Energia 1 [J] = 1 [W. sol (solar).270 m de gás natural 1 Mtoe [milhão de toneladas de óleo equivalente] = 41. dentre outras – é transformada em energia elétrica por meio de um gerador elétrico. e. sendo que um dos mais importantes é o processo de conversão eletromecânica. Este princípio constitui uma ferramenta conveniente para determinar as características do acoplamento eletromecânico entre a máquina primária e o gerador.000 [joules] 1 toe [tonelada de óleo equivalente]:  7. a conversão eletromecânica de energia envolve energia em quatro formas e o princípio de conservação de energia leva à seguinte relação entre essas formas mostradas na Figura 2. pode admitir-se a presença de regimes em que o campo é quase estacionário. água (hidráulica). relações e interações existentes entre os campos elétrico e magnético. a energia proveniente de uma determinada fonte – vento (eólica). Essa unidade é diferente daquela utilizada na medição de potência.megawatthora [MWh].4 barris de óleo cru na máquina primária  7. as leis dos circuitos elétricos e magnéticos.s] = 4. Porém. enquanto a energia precisa ser medida em um intervalo de tempo definido. a unidade de medida da potência elétrica é o watt [W]. Além destes tipos de perdas deve-se.motor. Estas perdas são chamadas de perdas mecânicas.2. as parcelas invertem-se de forma a atender o princípio da conservação eletromecânica da energia. Figura 4 – Representação do processo de conversão eletromecânica de energia – Gerador 2. que são de longe as mais frequentes. como um segundo. Considerando-se que potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. ou seja. considerar também perdas suplementares que têm várias causas. Nos dispositivos magnéticos. as perdas magnéticas são devidas às correntes de Foucault e à histerese magnética. 3) Perdas magnéticas (em dispositivos magnéticos) ou dielétricas (em dispositivos elétricos). uma 36 . Estas perdas estão associadas ao campo de acoplamento.2 Potência Conforme mencionado anteriormente. em estudos mais aprofundados. Assim. na convenção motor. Energia elétrica aplicada Energia mecânica produzida Energia armazenada Energia convertida em calor Figura 3 – Conversão eletromecânica de energia – Gerador A conversão de parte da energia aplicada a esse processo em calor tem três causas: 1) Perdas por efeito de Joule nas resistências dos enrolamentos que constituem parte dos dispositivos. o circuito equivalente para a representação do processo de conversão eletromecânica de energia é apresentado na Figura 4. esta pode ser medida em qualquer instante de tempo. Estas perdas são frequentemente chamadas de perdas no cobre. 2) Parte da potência mecânica desenvolvida pelo dispositivo é absorvida no atrito e ventilação e então convertida em calor. conforme a Figura 3. se um determinado empreendimento eólico possui 1. Por exemplo.000 [W].000 MW de potência instalada pelas 2. na média. 600 [kWh] de energia por hora de operação. por exemplo. dentre as diversas fontes possíveis – madeira. como. cana de açúcar. Quando necessário. ou seja. 37 .300 horas de funcionamento a plena carga por ano. 2. 600 [kW]. a conversão de um determinado valor entre essas duas unidades pode ser realizado por meio da relação que indica que 1 [kW] é igual a 1.hora. como o regime de produção. e o funcionamento com capacidade máxima em apenas durante um numero limitado de horas no ano. conforme dados do Balanço Energético Nacional de 2010. as turbinas retornam. significa que aquela turbina pode produzir 600 [kW] a cada hora. expresso em [CV]. o cálculo da quantidade de energia produzida por uma turbina eólica envolve o conhecimento da distribuição da velocidade do vento por cada turbina. ou seja.000 [MW] de potência eólica instalada. trabalhando no ponto máximo de eficiência. que pode ser de aproximadamente de 75 % das horas do ano. Para tanto. Levantamentos recentes indicam que. Esta situação é demonstrada na Figura 5. Como exemplo. Logo. Em outros casos. A compreensão desta unidade é importante para evitar má interpretação quanto a outras informações relativas à potência de uma máquina ou empreendimento. o que resulta em 2. um ano. isso informa claramente quanta energia esse empreendimento produz.300 horas de funcionamento a plena carga. Para calcular a energia total produzida multiplica-se os 1.4 % do total da oferta interna de energia. ano base 2009.3 [TWh] de energia. resíduos industriais. resíduos sólidos urbanos.359 [CV]. dentre outros – a biomassa representa cerca de 5. outras informações são importantes.000 [MWh] ou 2. 2. O uso dessa unidade é muito comum.3 Estimativa do potencial energético O potencial energético a partir das diversas fontes de biomassa no Brasil é considerável. se uma turbina ou gerador possui uma potência nominal de 600.300. a unidade de potência utilizada é o cavalo vapor. etc. na indicação da potência elétrica dos motores de indução comumente aplicados aos processos industriais ou da potência dos automóveis. No caso acima citado. destacando-se os ações de mensuração do seu uso e potencial por meio de estudos e projetos de demonstração e plantas piloto.Figura 5 – Oferta interna de energia por fonte . as diversas tecnologias de conversão e seu 38 . e atinge 29 % do total produzido no país.2009 Considerando-se somente a lenha e os produtos derivados da cana-de-açúcar como representantes da biomassa.2009 Em termos de produção de energia primaria. tem-se a seguinte situação. Diversos fatores têm mostrado a potencialidade da utilização da biomassa. Figura 6 – Produção de energia primária no Brasil . observa-se que a participação da biomassa é significativa. por exemplo. a combustão direta para obtenção do calor. para a geração de vapor. dióxido de carbono e nitrogênio) através de reações termoquímicas que envolvem vapor quente e oxigênio.hidrogênio. a digestão anaeróbia. diversos processos de transformação podem ser utilizados como mostra a Figura 7. na “quase ausência” de ar. Cada uma dá origem a determinado derivado e está em um nível diferente do ponto de vista tecnológico. O principal produto final é o carvão vegetal. Outra opção é a pirólise ou carbonização – o mais antigo e simples dos processos de conversão de um combustível sólido (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e conteúdo energético (carvão). Neste processo ocorre a decomposição do material pela ação de bactérias e ocorre na 39 . a gaseificiação da biomassa. metano. fornos (metalurgia) e caldeiras. a pirólise ou carbonização. dentre outras. podem ser mencionadas a combustão direta. é possível dele remover os componentes químicos que prejudicam o meio ambiente e a saúde humana – o que transforma a gaseificação em um processo limpo. Por sua vez. Este processo consiste no aquecimento do material original entre 300 e 500o [C].desenvolvimento intensivo e as vantagens da biomassa no controle de emissões de CO 2 e enxofre. mas a pirólise também dá origem ao alcatrão e ao ácido pirolenhoso. A gaseificação consiste em transformar o combustível sólido em gás (mistura de monóxido de carbono. Ela ocorre em fogões (cocção de alimentos). O carvão vegetal tem densidade energética duas vezes superior à do material de origem e queima em temperaturas muito mais elevadas. Há. Em termos de tecnologias de aproveitamento e transformação da biomassa para fins energéticos. Além disso. a digestão anaeróbica é muito usada para tratar dejetos orgânicos. O gás resultante pode ser utilizado em motores de combustão interna e em turbinas para geração de eletricidade. Figura 7 – Diagrama esquemático dos processos de conversão da biomassa em energia Quanto às técnicas utilizadas para transformar matéria-prima em energético. até a extração do material volátil. três por biogás (45 MW). São empreendimentos de pequeno porte.ausência do ar. foi responsável pela oferta de 18 [TWh].8 2. geração de energia elétrica para atendimento de comunidades isoladas e na geração distribuída de energia elétrica. No Brasil.7 3. por meio do qual pode-se obter energia térmica e elétrica. O produto final é o biogás. 40 . têm-se a seguinte situação: Tabela 2 – Oferta de energia elétrica no Brasil (MME. obteve a segunda posição na matriz da eletricidade nacional. principalmente em processos de cogeração. conforme dados do Atlas Nacional de Energia Elétrica. O potencial de geração de energia elétrica a partir da biomassa instalado no país. 2008) Fonte Hidráulica (incluindo importação) Biomassa Gás natural Derivados de petróleo Nuclear Carvão mineral Gás industrial Participação [%] 85. do ano de 2008. Na relação das fontes internas. composto basicamente de metano (CH 4) e dióxido de carbono (CO2). o que favorece a instalação nas proximidades dos centros de consumo e suprimento. 13 eram abastecidas por licor negro (resíduo da celulose) com potência total de 944 MW. a biomassa só foi superada pela hidreletricidade. também devem ser considerados como alternativas energéticas a produção de álcool.9 Sistemas de cogeração. com potência instalada de até 60 MW. quatro por casca de arroz (21 MW) e 252 por bagaço de cana (4 mil MW). é mostrado na Figura 8. a queima direta em fornos. 27 por madeira (232 MW).6 1. segundo o Balanço Energético Nacional (BEN) de 2008. essa aplicação é favorecida pelas características geográficas do território nacional. da ANEEL. que correspondiam a um total de 5. em novembro de 2008 existiam 302 termelétricas movidas a biomassa no país. Em termos de oferta interna de energia elétrica. caldeiras e outros usos não-comerciais. Desse total. com participação de 85. o que equivaleu a pouco mais de 1 % de toda a energia elétrica produzida no mundo naquele ano. Em termos de aplicação da biomassa para geração de energia elétrica no mundo. que por ter grande parte localizada em áreas tropicais e chuvosas. Além disso.2 2.7% da oferta total de energia elétrica.7 mil MW (megawatts) instalados. ano base 2007. oferece as condições adequadas para a produção e o uso da biomassa em larga escala. da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). ao corresponder a 3. Dados do Banco de Informações de Geração de Energia Elétrica. em 2005 o Conselho Mundial de Energia registrou que a biomassa respondeu pela produção de 183 [TWh]. Este volume foi 21% superior ao de 2006 e.4 0.4% (incluindo importação).4 3. 4 Tecnologias para produção de energia elétrica a partir do biogás Os tipos de biomassa residual existentes em maior quantidade no Brasil (por exemplo. bagaço de cana. casca de madeira. podem ser mecionadas seguintes tecnologias conforme a potência do empreendimento: 41 . útil para a avaliação de potenciais neste estágio. De forma simplificada. lixívia. etc) e as quantidades disponíveis por ano no local de uso definem as tecnologias comerciais disponíveis. palha.Figura 8 – Diagrama esquemático dos processos de conversão da biomassa em energia 2. 200 t madeira / dia. Há avanços nas tecnologias de motores a vapor alternativos e pequenas turbinas. na operação a uma pressão de 20 [bar]. as eficiências na conversão para energia elétrica são fortemente dependentes do nível de pressão utilizado (normalmente na produção de vapor) e do uso de cogeração total ou parcial. a maioria dos equipamentos e sistemas de operação e controle é produzida no Brasil com exceção de alguns itens de instrumentação e componentes de turbinas. ou mesmo a turbina) ou utilizar gaseificadores da biomassa acoplados a motores (ciclo Diesel ou ciclo Otto). na Bahia (3).5 [bar] (como. e os estudos para bagaço e palha de cana. mas com muito maior eficiência (até duas vezes maior). na maioria das usinas de açúcar e álcool) atingem 7 % de eficiência de conversão e. as caldeiras empregadas. similar ao sistema em operação na Inglaterra (Selby. estes mesmos sistemas. Assim. consideram a tecnologia de gasificação atmosférica. 6 MW eletricidade) e a gasificação com aquecimento indireto (planta de demonstração em Burlington. Outras tecnologias em estudo são a gasificação pressurizada (o melhor exemplo é a planta experimental de Varnamo. podem atingir 30 % de eficiência. os sistemas podem ser a vapor (alternativos. Os sistemas de gasificação. Assim.· Geração em pequena escala (menor que 1 MW): Esse tipo de geração é aplicado a locais onde a “concentração” de biomassa é pequena. estão ainda em estágio mais atrasado. praticamente dobrando os valores obtidos para os ciclos de vapor convencionais. embora um grande volume de trabalhos no mundo esteja em curso. madeira). sendo operada desde 1998 apenas com produção de gás). na Copersucar (São Paulo) (4). em regime de condensação. em regime de cogeração pura com pressão de escape a 1. 8 MW eletricidade. Alguns sistemas implantados no Brasil: um para cavacos de madeira. operando a uma pressão de 80 bar. 42 . Suécia. Os resultados mais recentes confirmam a expectativa de se obter altos rendimentos de conversão para energia elétrica. · Geração em escala média / grande (dezenas de MW): Estas tecnologias baseiam-se nos ciclos de gaseificação e na ampla utilização de turbinas a gás. por exemplo. Em termos de domínio tecnológico. Nestes sistemas. que já são totalmente comerciais embora ainda com eficiências relativamente baixas. Nestes casos. Estes sistemas podem gerar energia a custos equivalentes aos dos ciclos convencionais a vapor. · Geração em escala média / grande (dezenas de MW): A geração de energia neste nível baseia-se nos ciclos a vapor e utiliza tecnologia totalmente comercial e é amplamente empregada na agroindústria de cana de açúcar ou fabricação de celulose. porém. atualmente. Devem ser consideradas na análise do potencial (e na análise de prioridades para desenvolvimento tecnológico) pelo seu estágio atual e pelo potencial desempenho técnico-econômico apresentado. propriamente dito. · Sistema de Partida. quando os cilindros são dispostos em fileiras oblíquas. como. que desenvolveu o primeiro motor em Augsburg . O nome é devido a Rudolf Diesel. · Veiculares: Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral. essencialmente. · Sistema de Exaustão ou escapamento dos gases. será enfocado o motor de combustão interna (MCI). destinadas ao suprimento de energia mecânica ou força motriz de acionamento. carregadeiras. · Industriais: Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil. estes são dispostos em linha. veículos de operação fora-de-estrada. guindastes. por 43 . engenheiro francês nascido em Paris. Neste último caso. sobre os sistemas que os compõem. ou em V. no período de 1893 a 1898.1 Motor de combustão interna São máquinas térmicas alternativas. Além das aplicações. · Sistema de Combustível. Oficialmente. através da qual se transmite energia mecânica aos equipamentos acionados. tais como Geradores. incluindo-se aqui os componentes de injeção de óleo Diesel. os motores Diesel podem ser classificados. ainda. O motor. tais como caminhões e ônibus. pelo tipo de sistema de arrefecimento que utilizam (água ou ar) e pelo número e disposição dos cilindros. máquinas de mineração. · Marítimos: Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. As diferenças básicas entre os diversos tipos de motores Diesel residem. · Sistema de Lubrificação. máquinas de solda. 2. são classificados em 4 tipos básicos: · Estacionários: Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias. compressores de ar. bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante.Alemanha. o primeiro teste bem sucedido foi realizado no dia 17 de fevereiro de 1897. na Maschinenfabrik Augsburg. porém as alterações de projeto que se efetuam sobre os sistemas e seus componentes resultam em características de operação que os tornam adequados para aplicações diferentes.Em função da características dos empreendimentos baseados na utilização do biogás constituir-se em uma geração de energia elétrica de pequena escala. · Sistema de Arrefecimento. de combustão interna. Segundo sua aplicação. Os sistemas que constituem os motores Diesel são: · Sistema de Admissão de ar. tais como tratores. Todos funcionam segundo as mesmas leis da termodinâmica. quando os cilindros se encontram em linha reta. acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador.4. é composto de um mecanismo capaz de transformar os movimentos alternativos dos pistões em movimento rotativo da árvore de manivelas. com seus mancais e buchas.Seção traseira: Onde se encontra o volante e respectiva carcaça para montagem do equipamento acionado. d) Seção dianteira: É a parte dianteira do bloco. bielas. os cabeçotes podem ser individuais. como se vê em alguns tratores agrícolas. b) Cabeçotes: Funcionam. liga de alumínio ou chapa de aço estampada. tais como bomba d'água.exemplo. quando existe um para cada cilindro. bicos injetores e canais de circulação do líquido de arrefecimento. essencialmente. onde se alojam as engrenagens de distribuição de movimentos para os acessórios externos. quando um mesmo cabeçote cobre mais de um cilindro. um gerador de corrente alternada (alternador). compostos pelos pistões com anéis de segmento. formando com o bloco uma estrutura rígida que funciona como chassis da máquina. Na grande maioria dos motores. camisas. árvores de manivelas e de comando de válvulas. construído em ferro fundido e usinado para receber a montagem dos componentes. Figura 9 – Vista em corte de motor diesel – Fabricante Cummins – Modelo 6CT8. como "tampões" para os cilindros e acomodam os mecanismos das válvulas de admissão e escape.3 44 . Em alguns motores o cárter é do tipo estrutural. Dependendo do tipo de construção do motor. e) . alternador de carga das baterias e para sincronismo da bomba de combustível e da árvore de comando de válvulas. É construído em ferro fundido. ou múltiplos. c) Cárter: É o reservatório do óleo lubrificante utilizado pelo sistema de lubrificação. ventilador. Este mecanismo se subdivide nos seguintes componentes principais: a) Bloco de cilindros: Aloja os conjuntos de cilindros. Podem. adotando-se os nomes de seus descobridores. ou metanol. o motor tem sua capacidade definida em termos de potência. a saber: · Motores do ciclo Otto: Aspiram mistura ar-combustível preparada antes de ser comprimida no interior dos cilindros. É a indicação da quantidade de trabalho que ele é capaz de realizar na unidade de tempo. em um segundo.4.1 Princípio de Funcionamento Os motores de combustão interna são classificados em motores do ciclo Otto e motores do ciclo Diesel. que são utilizados. Considerando-se os combustíveis líquidos. em geral. 1 HP é a potência necessária para elevar a altura de um pé. nos automóveis.2. A combustão ocorre por autoignição quando o combustível entra em contato com o ar aquecido pela pressão elevada. recebe o combustível sob pressão superior àquela em que o ar se encontra. em um segundo. óleos minerais mais pesados e óleos vegetais (desde que construídos especificamente para tal uso). Por definição. ainda. classificação esta que segue o tipo de combustível utilizado. uma carga de 550 libras e 1 CV é a potência necessária para elevar a altura de um metro. Se a unidade de tempo utilizada for o minuto. em HP (Horsepower) ou CV (Cavalo Vapor). na maioria dos motores do ciclo Diesel é o óleo Diesel comercial.500 kgm/min.1.000 lb-ft/min e 1 CV = 75 x 60 = 4. uma carga de 75 quilogramas. O combustível que é injetado ao final da compressão do ar. · Motores do ciclo Diesel: Aspiram ar. álcool. Contudo. A combustão da mistura é provocada por centelha produzida numa vela de ignição. gás. as diferenças principais entre os motores do ciclo Otto e do Ciclo Diesel são: Tabela 3 – Diferenças entre o motor Ciclo Otto e Ciclo Diesel Característica Tipo de Ignição Formação da mistura Relação de Compressão Ciclo Otto Por centelha (Vela de ignição) No carburador 6 até 8 : 1 Ciclo Diesel Auto-ignição Injeção 16 até 20 : 1 Conforme já informado. 45 . que após ser comprimido no interior dos cilindros. tais como nafta. podem ser usados outros combustíveis. multiplicamos 550 x 60 e temos 1 HP = 33. utilizar gás como combustível no processo Diesel. Ou seja: 1 HP = 550 lb-ft/seg e 1 CV = 75 kgm/seg. É o caso de todos os motores a gasolina. Esta é a ajustagem recomendada para grupos geradores. conforme sua aplicação. e indica as potências e os consumos de combustíveis devem ser convertidos para condições atmosféricas particulares. como. pois não possui reserva suficiente para o processo de recuperação do governador de rpm. Uma diferença fundamental entre as normas DIN e ABNT trata dos acessórios que devem ser acionados pelo motor (e cujo consumo de potência não deve ser calculado 46 . Volvo e outras de origem européia. A ajustagem dessa potência no motor permite ainda uma sobrecarga. alternativos. A norma brasileira NBR 06396 estabelece os conceitos de potência e consumo de motores de combustão interna. Scania. por exemplo. de ignição por compressão (Diesel). sem sofrer desgaste anormal e perda de desempenho. MWM. 3046. A quantidade de injeção do combustível é bloqueada na bomba injetora para que uma sobrecarga (em geral 10% da potência efetiva contínua) do motor Diesel esteja disponível para a aceleração. conforme sua aplicação durante 24 horas diárias. ventilador e bomba d'água) estiverem sendo acionados pelo próprio motor. sem sofrer desgaste anormal e perda de desempenho. Logo. adotam as normas DIN 6270 e 6271 para as definições de potências dos motores que fabricam. que demanda alta corrente. sob regime de velocidade angular. Mercedes. ou intermitentemente. tais como Caterpillar. As normas DIN (alemã) e ABNT tomam como padrão as mesmas condições atmosféricas. na partida de motores elétricos. esta potência não deve ser usada para grupos geradores. As normas brasileiras que tratam dos motores são: a) MB-749 (NBR 06396) = Motores alternativos de combustão interna não veiculares. Existem situações que exigirão uma recuperação de velocidade e a máquina não se estabiliza. de forma contínua durante um tempo limitado. Em princípio. enquanto as de origem americana. as fábricas existentes no Brasil adotam as normas dos seus países de origem. Cummins. As potências anteriores serão consideradas potências úteis se todos os dispositivos auxiliares necessários à operação do motor (por exemplo: bomba injetora. conforme a NBR 06396.Embora existam normas brasileiras que definam o desempenho e as potências dos motores Diesel. Assim. sob indicação do fabricante. b) NB-130 (NBR 05477) = Apresentação do desempenho de motores de combustão interna. tem-se as seguintes definições: · Potência efetiva contínua não limitada: Representa a maior potência efetiva garantida pelo fabricante. AS2789 e SAE BS5514. que será fornecida sob regime de velocidade. e que será fornecida. temperatura ambiente de 20°C e umidade relativa do ar de 60%. A ajustagem dessa potência no motor não permite uma sobrecarga. tal como requerido em caso de aplicação súbita de plena carga elétrica. General Motors e outras. uma pressão barométrica de 76 mm Hg (equivalente a uma altitude de cerca de 270 m acima do nível do mar). necessário na ligação a plena carga do consumidor. isto é. adotam as normas ISO8528. · Potência efetiva contínua limitada: Trata-se da maior potência efetiva garantida pelo fabricante. tem-se: t = 2.3.Q) (2) Onde o termo no denominador é denominado calor recebido. No motor Diesel a plena carga. A quantidade de ar teórico. 2. do estado térmico (carga) e de outras circunstâncias. Neste caso. o que pode ser indicado por meio da relação entre o Arreal e o Armin.4. Os filtros de ar. Armin. deve conhecer bem as características das suas necessidades e especificar corretamente o regime de operação. pode ser calculada em função da composição química do combustível. de ar: é o ar teórico necessário. um consumo demasiado alto de combustível.1.2 Rendimento térmico É a relação entre a potência produzida e a potência calorífica entregue. é a eficiência de transformação de calor em trabalho. esse valor gira em torno de 60 a 70 %. Armin.545 / (b. I fica entre 0. Assim: h.3 e com o aumento da carga pode subir ainda mais. as potências de acionamento da bomba centrífuga e do ventilador deverão ser descontadas ao definir a potência de um motor industrial. A combustão. tubulações. de acordo sua composição química. do combustível. Chamando-se o poder calorífico de Q (em BTU/g) e o consumo específico de combustível de b (em g/HPh).3 Relação Ar/Combustível Para a combustão completa de cada partícula de combustível. por definição.4. Este depende da qualidade da mistura. da forma da câmara de combustão. para um ciclo. passagens e turbocompressor são 47 . tem-se que 1 HPh = 2. 2. se o usuário pretender adquirir um grupo gerador. l = (Arreal/ Armin) (3) No motor Otto. uma determinada quantidade de oxigênio.545 BTU A potência calorífica do combustível é dada em Kcal/kg. sempre em quantidade de calor em relação à massa.como potência efetiva do motor). a a norma ABNT é clara e mais rigorosa e prevê que. Pode ser entendido como a relação entre o calor que efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor equivalente ao trabalho que poderia ser obtido pela queima do combustível.9 e 1. ou seja. Assim. por exemplo. Em geral. exige um excesso de ar. ou seja. requer-se. e formação de CO (monóxido de carbono) ou fuligem. nos motores. normalmente equipado com estes acessórios.1.t = (Potência Produzida / Potência Calorífica) (1) onde. normalmente I não é inferior a 1. BTU/g ou unidades semelhantes. em geral. da mistura. A falta de ar (mistura rica) produz. seus valores ficam entre 60 e 90 %. Mt é a massa de ar necessária para preencher o volume da cilindrada de um cilindro em determinadas condições atmosféricas. dá-se o nome de relação combustível/ar.dimensionados em função da quantidade de ar necessária à combustão e devem ser mantidos livres e desobstruídos.4 Rendimento Volumétrico (5) É a relação entre a massa de ar aspirado por um cilindro e a massa de ar que ocuparia o mesmo volume nas condições ambientes de pressão e temperatura. RAC = Mar / Mcomb (4) Esta relação é encontrada a partir das quantidades de combustível e de ar consumidas pelo motor. • Rendimento Mecânico: É a relação entre a potência efetiva medida no eixo do motor e a potência indicada pelo fabricante ou nominal. Em geral. dividida pelo número de aspirações por hora. turbocompressores e elementos conexos. os tempos de abertura das válvulas. a porcentagem de gás residual contido na mistura. Dentre os fatores que o afeta estão a combustão imperfeita do combustível e problemas na troca de calor do motor. RCS = 1 / RAC 2.4. Normalmente. dentre os quais a perda de carga no conduto. onde o pistão ao se deslocar no seu ciclo libera um certo volume no líquido. Ao inverso de (5). o rendimento indicado em um motor alternativo médio varia de 50 a 80 %. É influenciado 48 . Alguns fatores influenciam diretamente este rendimento. Outros rendimentos importantes: • Rendimento Indicado: Relação entre o trabalho realizado pelo motor no ciclo indicado e o trabalho realizado pelo motor no ciclo teórico. Assim: V = Ma / Mt (6) onde Ma é a massa de ar aspirado por hora (lb. a fim de não comprometer o funcionamento do motor. O resultado obtido por cálculos (Ar teórico) é a quantidade mínima de ar que contém as moléculas de oxigênio suficientes para a combustão.1. a pressão barométrica. etc./h). como o conhecimento da quantidade de ar consumida pelo motor só tem importância para o dimensionamento de filtros de ar. a temperatura da mistura. Em geral. prefere-se avaliar a quantidade de ar por meio de cálculos. todo o espaço liberado pelo pistão seria imediatamente ocupado pela mistura. Se a aspiração fosse perfeita. Logo. Essa condição ocorre durante a fase de aspiração. o volume aspirado é sempre menor. A relação ar/combustível real é definida como a relação entre a massa de ar e a massa de combustível em um intervalo de tempo t. o gás de gasogênio. Observa-se a partir das propriedades relacionadas que apesar do metano possuir um poder calorífico inferior (PCI) 12 % maior que a gasolina. Além disso.. expresso em [g/cvh]. o biogás (metano). varia entre 80 e 90 %. Isso implica como resultado em uma queda de potência de 10 %.5 Rendimento total Trata-se da relação entre o trabalho útil produzido pelo motor e o equivalente em energia calorífica do combustível consumido. fácil partida a frio e não dilui os lubrificantes.32x105 / (Cs. 2. o gás natural veicular (GNV). por exemplo. tem como fatores positivos a pouca formação de depósito na câmara de combustão. Dentre estes.diretamente pelas força de atrito entre as partes mecânicas da máquina.PCI) (7) Onde Cs é o consumo específico do motor. 49 . o gás liquefeito de petróleo (GLP). este pode ser alimentado por combustíveis líquidos. a potência absorvida pelos órgãos auxiliares e pela eficiência do sistema de bombeamento. etc. Em termos de tipos de combustíveis que podem alimentar um motor de combustão interna. Em termos comparativos. PCI é o poder calorífico do combustível.7 litros de gasolina. expresso em [kcal/kg]. A figura abaixo apresenta a comparação entre diversas propriedades do metano e da gasolina para fins de alimentação de um motor de combustão interna. É obtido da seguinte forma: total = 6. tem-se que 1 kg de gás equivale a 1. o conteúdo energético por unidade de volume da mistura estequiométrica do metano/ar é 10 % menor em relação a mistura ar/gasolina.1. Estes formam com o ar uma mistura homogênea e elevam o rendimento do motor. o que apresenta melhor facilidade de formação da mistura com o ar e melhor uniformidade da distribuição dos cilindros é o combustível gasoso como. Em gera. sólidos e gasosos.4. entre outras coisas. O intervalo de tempo entre a injeção e a ignição deve estar sincronizado com a calagem da árvore de manivelas.6 Processo de combustão no motor diesel Tem-se os seguintes processos de combustão no motor diesel: · Processo por injeção: O gás de combustão aspirado ou induzido sob pressão é tão comprimido (temperatura entre 550 e 600° C). · Ignição: Pode não se dar uma sensível vaporização do combustível Diesel. Dentre os tipos de injeção possíveis. queima a pressão aproximadamente constante. Esta será de boa qualidade quando há a melhor mistura possível entre as gotículas de combustível e o ar necessário à combustão. que irá produzir aumento de pressão no próximo tempo de compressão e reduzir a lubrificação entre as camisas dos cilindros e os anéis de segmento. O retardo da ignição depende do tipo de combustível. uma quantidade excessiva de combustível não queimado.1. devido à rapidez do processo. correspondente a elevação adequada de pressão. é conhecido como "espelhamento" das camisas dos cilindros. pelo ar pré-aquecido e comprimido. fazendo cair o 50 . está relacionada com a formação da mistura mediante a injeção do combustível diretamente antes e durante a auto-ignição e combustão na carga de ar fortemente comprimida.Figura 10 – Comparação entre propriedades do metano e da gasolina 2. em desgaste. 2. que num primeiro momento. turbilhonamento mais intenso do ar de combustão. faz-se necessário. forma do pistão e da câmara de combustão repartida.4. disposição. que se dá a auto-ignição. no cilindro.7 Efeito da velocidade Nas altas velocidades. queima rapidamente e o que é injetado em seguida. Outros fatores que influenciam são a quantidade. injetado em primeiro lugar. A combustão não ocorre inteiramente. Uma parte do combustível. em maior quantidade. Combustíveis Diesel com boa ignição têm um pequeno retardo e proporcionam compressão uniforme para a combustão e operação suave do motor.4. caso contrário. devido ao aumento das perdas de carga e a inércia da massa de ar. começa haver dificuldade no enchimento dos cilindros. pressão e temperatura na câmara de combustão. O retardo da ignição deve ser o mínimo possível. de elevado ponto de ebulição. As gotículas de combustível que são injetadas. Para tanto. caso não se sucedam no tempo certo o aquecimento do combustível e a ignição. resultando. Em ambos os caso.1. existe a direta e a indireta. com a continuidade do processo. inflamam-se após terem sido levadas à temperatura de auto-ignição. comprimento e força dos jatos. etc. adequar o jato de combustível à forma da câmara de combustão (com ou sem repartições). chega à câmara de combustão. conseqüentemente. possibilitar que maior quantidade de combustível seja injetada. Nas altas velocidades. turbocompressor. tem a finalidade de elevar a pressão do ar no coletor de admissão acima da pressão atmosférica. que não permite acelerar o motor além daquele ponto. devido ao aumento das perdas de carga e a inércia da massa de ar. Como a quantidade de combustível injetada é dosada pela bomba injetora (parte integrante do sistema de injeção). É necessário então outro dispositivo que assegure controle da dosagem de combustível em 51 . No caso dos motores Diesel. sobrealimentador. seja possível depositar mais massa de ar. supercarregador. Para melhorar esse rendimento. não é capaz de controlar a rotação do motor quando ela tende a cair com o aumento da carga ou a aumentar com a redução da mesma carga. por si só.1. O mecanismo de aceleração. turboalimentador ou simplesmente turbo. limita-se a quantidade máxima de combustível que pode ser injetada. Dependendo do tipo de motor. começam a produzir efeitos indesejáveis.8 Regulação de velocidade A rotação de trabalho do motor Diesel depende da quantidade de combustível injetada e da carga aplicada à árvore de manivelas (potência fornecida à máquina acionada). A Figura 11 mostra um turbocompressor em corte. no mesmo volume. pode-se utilizar um equipamento denominado turbocompressor. Também é necessário limitar a rotação máxima de trabalho do motor. bem como da velocidade de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escapamento. Isso resulta em mais potência para o motor e maior pressão de compressão no interior do cilindro. fazendo com que. Figura 11 – Turbocompressor em corte 2. e.rendimento volumétrico. fazendo cair o rendimento volumétrico. essa limitação é feita por um batente do acelerador. em função da velocidade média do pistão (cm= s n / 30). esse equipamento tem efeitos importantes sobre o desempenho do motor. por meio da variação de débito controlada pelo mecanismo de aceleração. por conseqüência. Normalmente denominado por turbina. começa haver dificuldade no enchimento dos cilindros. melhor aproveitamento do combustível com redução das emissões de poluentes. o que produz temperaturas de ignição mais altas e. que a partir de determinados valores de rotação do motor. que não deve induzir esforços que superem os limites de resistência dos materiais.4. supercharger. ou seja. independente das solicitações da carga. permitem ultrapassar o valor regulado para. mostrado na Figura 12. No caso específico dos motores para grupos Diesel-geradores. como visto no início deste trabalho. Dependendo da carga que for aplicada bruscamente. Conhecidos como reguladores ou governadores de rotações. em seguida. Isto significa que a cada aparelho elétrico que se liga ou desliga. Figura 12 – Regulador de velocidade . é o governador Bosch modelo RSV.5 %. sem permitir variações da RPM. Tem tempo de resposta considerado longo e permitem oscilações em torno do valor regulado.800 [RPM]. que por ação da força centrífuga. que são: · Governadores mecânicos: Constituídos por um sistema de contrapesos. o motor Diesel deve operar em rotação constante. O tipo mais comum utilizado em grande numero de motores equipados com bombas injetores Bosch em linha. existem três tipos básicos de governadores isócronos. molas e articulações. atuam no mecanismo de aceleração aumentando ou diminuindo o débito de combustível sempre que a rotação se afasta do valor regulado. o governador deve corrigir a quantidade de combustível injetada. são utilizados em todos os motores Diesel e. Na maioria dos motores. permitem quedas acentuadas da velocidade e. o que é quase impossível.Bosch 52 . Tem precisão de regulação em torno de 3 %.função das solicitações da carga. dependendo da aplicação. em geral. uma vez que a freqüência da tensão gerada no alternador necessita ser mantida constante. a regulação da velocidade é um item particularmente crítico. 1. podendo chegar até 1. têm características distintas e bem definidas. atua no mecanismo de aceleração de modo a permitir o suprimento de combustível sem variações bruscas e respondendo de forma suave às solicitações da carga. na recuperação. dado o tempo necessário para que as correções se efetivem. São mais baratos e utilizados em grupos Diesel-geradores que alimentam equipamentos pouco sensíveis às variações de freqüência. efetuar nova correção de menor grau. Para solucionar o problema. este dispositivo é constituído por um conjunto de contrapesos girantes. podem ser acionados pelo motor Diesel independentemente da bomba injetora e atuam sobre a alavanca de aceleração da bomba. que exerce a função de sensor de RPM. Oferecem a melhor precisão de regulação que se pode conseguir e são constituídos por três elementos básicos: 1) Pick-up magnético. ao passar próximo ao pick-up magnético. O modelo mais conhecido em uso no Brasil é o Woodward PSG. a construção pode variar. pelo regulador. conforme necessidade. (governadores 53 . As variações de rotação "sentidas" pelos contrapesos são transformadas em vazão e pressão de óleo para alimentar um pequeno cilindro ligado à haste de aceleração da bomba. com o valor padrão ajustado. cada dente da cremalheira. que efetua as correções do débito de combustível. como nos governadores hidráulicos e outros que são instalados no interior da bomba e atuam diretamente sobre o fluxo de combustível. O pick-up magnético é uma bobina enrolada sobre um núcleo ferromagnético e instalado na carcaça do volante. Figura 13 – Regulador de velocidade tipo PSG (Woodward) · Governadores eletrônicos: Atualmente estão sendo utilizados em maior escala devido à redução de custo ocorrida nos últimos anos. para mais ou para menos. 3) Atuador. o regulador altera o fluxo de corrente enviada para o atuador. A quantidade de pulsos por segundo (freqüência) é comparada. que fazem o papel de sensor de rotação e uma pequena bomba hidráulica para produzir a pressão de óleo necessária ao acionamento. Os atuadores externos mais conhecidos são os fabricados pela Woodward. Se houver diferença. são pouco utilizados. São constituídos por um sistema de contrapesos girantes. Por serem caros e necessitarem de um arranjo especial para montagem no motor. os princípios de funcionamento são os mesmos. com a proximidade adequada dos dentes da cremalheira. 2) Regulador eletrônico. exercendo a função que seria do pedal do acelerador do veículo.· Governadores hidráulicos: De maior precisão que os governadores mecânicos. Conforme o fabricante. Com o motor em funcionamento. Há atuadores que trabalham ligados à haste de aceleração da bomba injetora. induz um pulso de corrente elétrica que é captado pelo regulador. propriamente dito (ou unidade de controle). embora possam oferecer recurso de comunicação via porta serial e funções de controle PID (Proportional Integral Derivate). provocando o aparecimento de uma f. por JOSEPH HENRY. registrado num galvanômetro. (força eletromotriz F). mais ou menos na mesma epoca. Figura 15 – Regulador de velocidade digital (Woodward 2301D) 2.5 Produção de energia elétrica O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY. em termos de resultados.modelo EPG) e os internos são os utilizados nos motores Cummins (governador EFC). dependem de um atuador analógico para comandar as correções de velocidade do motor.e. Esta situação é mostrada na Figura 16. aos governadores eletrônicos analógicos. o que os torna iguais. ou vice-versa. Figura 14 – Regulador de velocidade eletrônico (Woodward – EPG) · Governadores Digitais Os governadores digitais utilizados atualmente.m. e nos Estados Unidos. Um exemplo é mostrado na Figura 14. Este gerador consistia basicamente de um ima que se movimentava dentro de uma espira. 54 . Figura 16 – Regulador de velocidade digital (Woodward 2301D) Considerando que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B". Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória. vamos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um imã permanente (Figura 16). Toda a energia consumida nas indústrias.. eólica. também uniforme (Figura 16). velocidade esta provocada pelo 55 . residências. A principal característica de um gerador elétrico é transformar energia mecânica proveniente de uma máquina primária em elétrica. etc. uma turbina – hidráulica. que estão ligados ao circuito externo através de escovas.etc.. dentre outros dispositivos. Como exemplo de máquina primária tem-se um motor a combustão interna. O principio básico de funcionamento esta baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis.. a vapor. uma roda d‟água. sao proveniente destes geradores. cidades. Para facilitar entendimento do principio de funcionamento. Se "v" e a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético. -.Figura 16 – Gerador elementar Geradores síncronos são maquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica. no caso real. Por sua vez. no condutor em função do tempo e determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo. segundo a lei da indução (FARADAY).v.comprimento de cada condutor  v .v. uma turbina hidráulica.m.m.forca eletromotriz (f. uma turbina eólica.e.e. tem-se: e = B. um motor de combustão interna. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar.sen(B^v) onde:  e . 56 . etc.velocidade linear (8) Esta relação foi obtida para uma única espira.)  B . o valor instantâneo da força eletromotriz (f.l.e. a Figura 17 (b) mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições. a f. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções.).m.l.indução do campo magnético  l . para um gerador elétrico que possui N espiras. No entanto.sen(B^v). estando cada posição separada uma da outra de 30 o.acionamento de uma máquina primária (por exemplo.e. Neste caso. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal. em 12 posições diferentes.m.N (9) A variação da f.) induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por: e = B. A Figura 17 (a) mostra somente um lado da bobina no campo magnético. o tipo de armadura fixa (ou campo girante) e o mais utilizado. a tensão induzida nos terminais das N espiras. A potência de excitação destes geradores normalmente e inferior a 5% da potencia nominal. a cada giro das espiras tem-se um ciclo completo da tensão gerada. n/120 Onde:  f = freqüência (Hz)  p = numero de pólos  n = rotação síncrona (rpm) (10) 57 . Os enrolamentos podem ser construídos com um numero maior de pares de pólos. expressa em [RPM]. Neste caso.Figura 17 – Geração da tensão Nos geradores de campo giratório. tem-se: f = p . é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. denominada tensão de armadura. e "f" a freqüência indicada em ciclos por segundo ou Hertz [Hz]. que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul). Figura 18 – Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa) Para uma maquina de um par de pólos. Sendo "n" a rotação da maquina. mostrados na Figura 18. Por este motivo. teremos um ciclo a cada par de pólos. Figura 19 – Geração da tensão trifásica em geradores de campo giratório A ligação dos três sistemas monofásicos para se obter o sistema trifásico é feita usualmente de duas maneiras. pode-se concluir facilmente uma característica importante e relacionada com o tipo de acionamento da máquina primária. V1 = V2 = V3. o número de espiras de cada bobina também deverá ser igual. respectivamente. formando entre si também um angulo de 120o. tais que a defasagem entre elas seja de 120o. Assim. mostrados nas Figuras 20 e 21. Tabela 4 .Velocidades síncronas dos geradores elétricos Número de pólos 2 4 6 8 60 [Hz] 3. V2 e V3. Para que o sistema seja equilibrado.600 [RPM[).5. isto é.000 1.500 1. como a relação (10) é constante. representadas nos esquemas em triângulo ou estrela. as velocidades síncronas correspondentes. 3.000 750 2. observa-se que em geradores acionados por turbinas a vapor.200 900 50 [Hz] 3.Observe que o numero de pólos da maquina terá que ser sempre par para formar os pares de pólos.1 Geração de corrente trifásica O sistema trifásico e formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões V1. O enrolamento desse tipo de gerador é constituído por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço. que normalmente operam com elevada velocidade síncrona (por exemplo. o número de pólos dessa máquina é pequeno. conforme a Figura 19. Na Tabela 4 são mostradas. Nestes esquemas costuma-se 58 .800 1. para as freqüências e polaridades usuais. Por exemplo.600 1. 577 x IL = 0. A tensão entre dois quaisquer destes três fios chama-se "tensão de linha" (Vl). qual a tensão e a corrente em cada uma das cargas? Resposta: cargas. VL = VF (“tensão de linha é igual à tensão de fase”). a soma deverá ser feita graficamente. Se ligarmos os três sistemas monofásicos entre si. o sistema trifásico ficará reduzido a três fios U. Como as correntes estão defasadas entre si. A corrente de linha (IL) medida é 10 A. pode-se eliminar três fios. é a soma das correntes das duas fases ligadas a este fio.77 A em cada uma das cargas. logo IF = 0. indica: 1) A cada carga é aplicada a tensão de linha "Vl". por meio do esquema da Figura 20. 31/2 = 1. mantendo entre si o ângulo correspondente a defasagem (120o). ou seja. com tensão nominal de 220 [V]. que é a tensão nominal do sistema trifásico. tem-se que VF = V1 = 220 [V] em cada uma das Se IL = 1.577 x 10 = 5. como indica a Figura 20 (a). Logo. 2) A corrente em cada fio de linha. V e W.representar as tensões com setas inclinadas. Ligando a este sistema uma carga trifásica composta de três cargas iguais ligadas em triângulo. ou vetores girantes. Figura 20 – Ligação Triângulo A análise da conexão triângulo. deixando apenas um em cada ponto de ligação. ou corrente de linha "I L".732 × IF Exemplo: Considere um sistema trifásico equilibrado. como mostra a Figura 20 (c). ou seja. 59 . a) Ligação triângulo: Neste tipo de conexão. Pode-se mostrar que IL= IF . indicados por V f e If. denomina-se “tensões/correntes de fase" às tensões e correntes de cada um dos três sistemas monofásicos considerados. IL = IF1 + IF3. que é a própria tensão do sistema monofásico correspondente. Da conexão triângulo. A corrente em qualquer um dos fios chama-se "corrente de linha" (Il).732 x IF. IL = IF. 2) A tensão entre dois fios quaisquer do sistema trifásico é a soma gráfica (de acordo com Figura 21 (c)) das tensões das duas fases às quais estão ligados os fios considerados.5. da conexão estrela. ou tensão nominal do sistema trifásico.b) Ligação estrela: A conexão de um dos fios de cada sistema monofásico a um ponto comum aos três. tem-se que VL = 1.77 [A]. resulta que os três fios restantes formam um sistema trifásico em estrela. ou corrente de linha (IL).77 [A])? Qual a corrente de linha (IL)? Resposta: carga) Assim. Assim.732 × VF Exemplo: Seja uma carga trifásica composta de três cargas iguais. 60 Conforme informado. absorvendo 5.2 Sistemas de excitação Conforme apresentados nos princípios de funcionamento. pode-se observar que: 1) A corrente em cada fio da linha. sendo que cada carga é feita para ser ligada a uma tensão de 220 [V]. 2. ou seja. o sistema trifásico conectado em estrela é "a quatro fios" ou "com neutro". Muitas vezes. O quarto fio é ligado ao ponto comum às três fases. VL = VF x 31/2 = 1. ou seja. a tensão de linha. da mesma conexão. Figura 21 – Ligação estrela Examinando-se o esquema mostrado na Figura 21. é fundamental a geração de campo magnético para a produção de energia elétrica. é a mesma corrente da fase à qual o fio está ligado. conforme a Figura 21.77 A. tem-se que VF = 220 [V] (nominal de cada .732 x 220 [V] = 380 [V] Ademais. IL = IF = 5. Qual a tensão nominal do sistema trifásico que alimenta esta carga em suas condições normais (220 [V] e 5. e a corrente de linha são definidos do mesmo modo que na ligação triângulo. devido a possibilidade de gerar rádio interferência em função de mau contato das escovas.5. Este sistema tem como vantagens: · Menor tempo de resposta na recuperação de tensão. de dois tipos: · Com escovas. basicamente.2. telecomunicações.Neste sentido. os sistemas de excitação são fundamentais para alimentação do campo do gerador. Figura 22 – Gerador com excitação com escovas 2. A tensão de saída do gerador é mantida constante para qualquer carga e fator de potência. Neste sistema normalmente o campo é alimentado por uma excitatriz chamada de excitatriz estática. pois esta verifica constantemente a tensão de saída. 2.2 Geradores com excitação sem escovas (brushless) O gerador tipo brushless possui uma excitatriz auxiliar. o campo é alimentado em corrente contínua por escovas e anéis coletores. e a tensão alternada é retirada do estator. a tensão proveniente da excitatriz auxiliar é retificada. Um exemplo deste tipo de excitação aplicado a um gerador é mostrado na Figura 22. os seguintes fatores são desvantagens: · Exige manutenção periódica no conjunto escovas e porta escovas. Estes podem ser. 61 .2.5. formada por ímãs permanentes. · Não é aconselhável a utilização em centro de processamento de dados. essa tensão contínua é aplicada ao rotor da máquina (vide a Figura 23). Porém. normalmente à base de diodos na configuração de onda completa. · Sem escovas. · Menor queda de tensão na partida de motores de indução. enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante. acoplada no eixo principal da máquina e ao regulador de tensão. Então. No regulador.1 Geradores com excitação por escovas Neste tipo de maquina. que serve para fornecer a tensão para o regulador de tensão. Sua função é fornecer potência para alimentar o campo da excitatriz principal. excitatriz externa e regulador de tensão 62 . Outros modelos utilizam um enrolamento auxiliar independente. alojado nas ranhuras da armadura (bobina auxiliar). o que pode ser um complicador se a máquina ficar parada por longos períodos e pode-se ter dificuldade de se iniciar o escorvamento. Então. regulada e retificada pelo regulador de tensão. A bobina auxiliar é um bobinado auxiliar que fica alojado em algumas ranhuras do estator principal da máquina. as escovas e porta escovas são eliminadas.Neste sistema. Figura 24 – Gerador brushless com enrolamento auxiliar. a excitatriz auxiliar pode ou não estar montada em compartimento separado do estator principal da máquina (montada na tampa traseira). Essas variações estão mostradas nas Figuras 24 e 25. no regulador. De acordo com o fabricante e o modelo do gerador. a alimentação do regulador é obtida através de TAP's do próprio enrolamento para baixa tensão ou TP's (trafos de potencial) para alta tensão. Em alguns casos a excitatriz auxiliar sem ímãs. a tensão é retificada e enviada a um gerador de pólos fixos (excitatriz principal) e ponte retificadora girante. Figura 23 – Gerador brushless com excitatriz externa Em geradores comerciais modernos. é montada internamente ao gerador. pois a tensão de alimentação do campo do gerador é obtida através da tensão induzida na excitatriz e o único elemento de interação é o campo magnético. 3 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO 2.Figura 25 – Gerador brushless com bobina auxiliar. No entanto. deve-se solicitar do fabricante a adequação do isolamento dos enrolamentos do gerador a fim de garantir sua operação em regime contínuo. A potência do gerador é fixada em relação a potência das fontes consumidoras. está diretamente relacionada com a classe de isolamento do enrolamento do motor e sua temperatura de operação. ou seja. Tem por finalidade manter a tensão constante. que o gerador pode acionar cargas de potência bem acima de sua potência nominal. queimar-se rapidamente. se for exigido do gerador uma potência muito acima daquela para a qual foi projetado.5. levando-a através de um transistor de potência ao enrolamento de campo da excitatriz principal. está intimamente ligado à elevação de temperatura do enrolamento. ou de acordo com a potência do motor do acionamento: a) Fixação de potência de acordo com a potência das fontes consumidoras: 63 . Possui também circuitos de proteção para assegurar um controle confiável do gerador. se esta sobrecarga for excessiva e contínua ao longo do tempo. é um equipamento que apresenta um bom grau de suportabilidade operando em condições de sobrecarga. Sabe-se.1 Potência nominal Define-se como a potência que o gerador pode fornecer. até quase atingir o limite de estabilidade. isto é.5. Ou seja.3. O conceito de potência nominal. dentro de suas características nominais. 2. o aquecimento normal será ultrapassado e a vida do gerador será diminuída. a potência que o gerador pode fornecer. Esta. Sabendo-se que a máquina irá operar em um ambiente agressivo e sujeito a temperaturas elevadas. excitatriz externa e regulador de tensão O regulador de tensão é eletrônico e automático. também. Retifica a tensão trifásica proveniente da bobina auxiliar ou do estator da excitatriz ou de TAP's da armadura da máquina principal. em regime contínuo. até mesmo. podendo ele. por sua vez. independente das variações da carga. Quando um gerador for conectado a carga com fatores de potência distintos..Para a determinação do tamanho da máquina devemos conhecer a potência aparente (S). a potência deve ser reduzida conforme a Figura 26. não é possível conhecer a potência exata das fontes consumidoras. a parir das informações do sistema ou dos dados do fabricante: S = UL x IL x 3 Onde S = potência aparente [VA]. que é fator de potência de referência no Brasil. isto implica que o cos Ø também deve ser conhecido.. quais os componentes de potência ativa e reativa. Assim: S = ((P1+ P2+. 64 . a potência aparente é dada em [kVA]. é preciso averiguar antes. sendo válida para os fatores de potência entre 0. Para fatores de potência menores que 0. bem como o fator de potência geral.+Qn )2)1/2 Onde: Pn = componente da potência ativa da fonte consumidora [VA]. Portanto. e daí determinar a potência aparente total.0 (Indutivos).+ Pn )2+(Q1+Q2+. Neste caso a potência do gerador é determinada a partir da potência de acionamentos e.. Qn = componente da potência reativa da fonte consumidora [Var].92. UL = tensão de linha [V].8 e 1. Nos catálogos dos fabricantes.8. como fator de potência devemos adotar 0. definido pela ANEEL. (12) (11) Figura 26 – Potência do gerador em função do fator de potência b) Fixação da potência de acordo com a potência do motor de acionamento: Muitas vezes. IL = corrente de linha [A].. Da potência útil do motor de acionamento. · PM .rendimento do gerador (%). isto é. das relações anteriores: S = (PG / cos Ø) = (PM . é determinada pelo material isolante. refere-se ao envelhecimento gradual do isolante.G) / 100 Onde · PG . perdendo o poder isolante. deve-se multiplicar por 0. em motores resfriados a ar. vibrações.potência do motor acionante [kW]. cos Ø) (15) 2. ambientes corrosivos e outros. como umidade. não se refere às temperaturas elevadas. o mais importante é. a temperatura de trabalho dos materiais isolantes empregados. se não forem consideradas as peças que se desgastam devido ao uso. indicado nos catálogos dos fabricantes. para evitar que a elevação de temperatura seja excessiva.8 e 1. · G .5. dada em [CV]. Assim.2 Elevação de temperatura-classe de isolamento A potência útil fornecida pelo gerador é menor que a potência acionante. para fatores de potência entre 0. sem dúvida. Vale reforçar que quando se refere à diminuição da vida útil da máquina. Este material é afetado por muitos fatores. 65 . O mesmo acontece em todos os tipos de máquinas elétricas. Vale lembrar que para encontrar a potência do motor acionante. Dentre todos os fatores.3. o calor gerado pelas perdas internas tem que ser retirado do bloco pelo sistema de circulação de água com radiador ou pela ventoinha. bem abaixo daquela em que o material se queima. Um aumento de 8 a 10 graus na temperatura da isolação reduz sua vida útil pela metade. que são transformadas em calor. que vai se tornando ressecado. Vida útil da isolação. até que não suporte mais a tensão aplicada e produza o curto-circuito. o qual aquece o enrolamento e deve ser dissipado para fora do gerador. A vida útil de máquina elétrica girante. No motor do automóvel. A diferença entre duas potências representa as perdas.potência do gerador [kW]. quando o isolante se queima e o enrolamento é destruído de repente. como escovas e rolamentos. G ) / (100 . PM [kW] = PM [CV] x 0.736 (14) (13) Deve-se levar em consideração o rendimento dos geradores. diminuímos as perdas do gerador. por exemplo. Logo: PG = (PM. em termos de temperatura de trabalho.0. para obter a potência ativa que fica a disposição nos terminais do gerador.736 para obter em [kW]. o rendimento do gerador é sempre inferior a 100%. 105oC. pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que seja afetada sua vida útil. · Classe E . ar-água) 3) Rotação (no de pólos) 4) Fator de Potência 5) Tensão nominal 6) Número de fases (Trifásico ou Monofásico) 7) Freqüência de operação (Hz) 8) Tipo de excitação: . Evidentemente.sem escovas .130oC. devem ser considerados as diferentes Classes de Isolamento. 2. já para geradores os mais comuns são a F e H. Troc. As classes B e F são as comumente utilizadas em motores normais. Ex: partida de motores de indução 15) Faixa de ajuste da tensão 16) Precisão da regulação 17) Acessórios 18) Sobrecargas ocasionais 19) Tensão de alimentação dos aquecedores internos 20) Tipo de regulação (U/f constante ou U constante) 21) Tipo de acoplamento 22) Máquina acionante 66 .180oC. · Classe B . são necessárias as seguintes informações: 1) Potência nominal (kVA) 2) Tipo de refrigeração (Aberto. Marinizado 14) Característica da carga. As classes de isolamento utilizados em máquinas elétricas e os respectivos limites de temperatura conforme a Norma NBR 7094 são as seguintes: · Classe A . · Classe H . · Classe F .155oC. ou seja.6 ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA Para a correta especificação do gerador. Cada classe é definida pelo respectivo limite de temperatura. Para tanto.sistema com escovas com excitatriz estática 9) Grau de proteção 10) Forma construtiva 11) Temperatura ambiente 12) Altitude 13) Tipo de aplicação: Industrial. ar-ar ou Troc. basta um ponto fraco no interior da bobina para que o enrolamento fique inutilizado.Esta limitação de temperatura se refere ao ponto mais quente da isolação e não necessariamente ao enrolamento todo.120oC. a fim de minimizar essa degradação e garantir a vida útil da máquina. Telecomunicações. Naval.  Frequência: 50 e 60 [Hz].Vale lembrar que em temos de características elétricas.  Potência: 500 a 60. Conforme já mostrado.Turbo geradores São geradores acionados por turbinas a vapor.  Rotação: 1.  Potência: 12. convenientemente montados.200 [rpm] (VI pólos) ou 900 [rpm] (VIII pólos).800 [V].000 [kVA]. sendo o motor a ciclo Diesel um dos mais utilizados.800 [V] – 50 e 60 [Hz].800 [rpm] (IV polos).  Tensão: 220 a 13. D – Eólicos São geradores acionados por turbinas a vento.800 [V[  Frequência: 50 e 60 [Hz].  Tensão: 220 a 13. as máquinas primárias possuem as seguintes características: A . os grupos geradores são construídos com características especiais que os tornam apropriados para 67 .  Potência: ate 1.5 a 4000 [kVA].000 [kVA].  Potência: 500 a 200. 2.7 Grupo motor-gerador Denomina-se grupo motor-gerador ao conjunto de motor e gerador de corrente alternada.Grupos Diesel ou Gás São geradores acionados por motores Diesel ou a gás.  Rotação: 1.  Rotação: 1. C .800 [rpm] ou abaixo (IV ou mais pólos).800 [rpm] (IV pólos).  Tensão: 220 a 13. Em função dos consumidores de energia elétrica a que se destinam.sob consulta junto aos diversos fabricantes. B . 1. normalmente o motor utilizado é o motor de combustão interna.Hidrogeradores São geradores acionados por turbinas hidráulicas.500 [kVA[  Rotação. dotado dos componentes de supervisão e controle necessários ao seu funcionamento autônomo e destinado ao suprimento de energia elétrica. tensão e freqüência . pois há situações em que alguns requisitos do ambiente e dos consumidores não podem deixar de ser atendidos. tempo de resposta. fornos. A seleção desse equipamento envolve muitos os fatores a serem considerados antes da aquisição do equipamento adequado. que necessitam de tensão e freqüência sem oscilações. indústrias. dados ou 68 . decorrem dos requisitos das normas de edifícios definidos por autoridades federais. essas instalações são justificadas por uma redução no risco de perdas de serviços. dos equipamentos de telecomunicações. nível de contaminação do ar por partículas sólidas?) d) Qual o regime de operação? (o grupo gerador é a única fonte de energia elétrica? É reserva da rede local ou de outro grupo gerador? Quantas horas de operação por dia?) e) Quanto tempo os consumidores podem ficar desligados? f) Quais os riscos envolvidos no caso de uma interrupção do fornecimento de energia por defeito no equipamento? 2. por exemplo. algumas perguntas devem ser respondidas antecipadamente. com baixos fatores de interferência. vibração e ruído do ambiente. tempo de partida. sistemas de controle e proteção. estaduais. equipamentos de telecomunicações?) b) Qual o local de serviço? (mar. onde a perda da energia normal pode criar riscos contra a vida ou a saúde de pessoas. fabricados sob fiscalização das sociedades classificadoras. para dimensionar corretamente um grupo gerador. etc. Essas instalações são justificadas em função da segurança da vida humana.1 Requisitos de Energia A necessidade de geração local de eletricidade geralmente é definida por instalações obrigatórias de recursos para atender requisitos de normas de edifícios e/ou o risco de perdas financeiras que podem resultar da falta de energia elétrica. ambiente. isolamento. Outro exemplo são os grupos geradores para uso naval. em grupos geradores. Os fornecedores de grupos geradores tendem a padronizar os seus produtos.7. dentre outros. Isso indica que cada caso demanda um projeto específico para que o funcionamento do conjunto motor-gerador ocorra satisfatoriamente conforme a aplicação. motores de indução... tais como: a) Qual o tipo de carga? (iluminação. municipais ou outros órgãos governamentais. como suprimento de emergência nas interrupções de fornecimento em hospitais. com alternadores especialmente fabricados para esta finalidade. terra. o que na prática é inviável. retificadores de corrente. que somente se consegue. temperatura. por exemplo. No segundo caso. evitando os fornecimentos especiais sob encomenda.diversas aplicações como. Assim. canteiro de obras. tais como características específicas do fornecimento de energia elétrica. No primeiro caso. características de partida/parada. o fornecimento de energia a comunidades isoladas. É o caso. ambientes com atmosfera explosiva?) c) Quais as características do local? (temperatura ambiente dominante. durabilidade das partes mecânicas. que em tudo diferem do que seria considerado um grupo gerador de uso industrial. altitude. vida útil. 2 Tipos e Classificações de Sistemas Os sistemas de geração local de energia podem ser classificados por tipo e classe do equipamento de geração. · Sistemas Mecânicos: Controle de fumaça e ventiladores de pressurização. armazenamento de alimentos. etc. como polícia e Corpo de Bombeiros. Prime e Contínuo. Basicamente. · Suporte à Vida: Hospitais. outro conjunto de requisitos específicos resultará na necessidade de sistemas de geração local de energia elétrica. processos de produção farmacêutica. sistemas de antenas de edifícios públicos. Além disso. luzes de advertência. também podem ser justificadas pelas reduções nos preços de carga oferecidas pela concessionária de energia elétrica. destruição de programas. sinais luminosos de saída. de modo que a classificação Standby é a mais alta disponível para o grupo gerador. 2. · Sistemas de Comunicações: Serviços telefônicos de emergência. como. · Processamento de Dados: Sistemas UPS e refrigeração para evitar perda de dados. iluminação interna de elevadores. por exemplo: · Iluminação: Iluminação de saídas de emergência. enfermarias e outras instalações de cuidados. etc. etc. e podem ser servidas pelo mesmo sistema de geração local. o equipamento é classificado como Standby. · Aquecimento: Aquecimento de processos críticos. etc. etc. perda de memória. Um grupo gerador usado em aplicações Standby é uma reserva da fonte de energia principal (concessionária de energia) e espera-se que o mesmo não seja utilizado com freqüência. · Refrigeração: Bancos de sangue. compressores de ar e outros equipamentos com funções críticas.7. etc. desde que as necessidades de segurança à vida tenham prioridade. Além das características gerais. · Proteção Contra Fogo: Bombas de incêndio. ventilação de poluentes ou contaminação biológica. o que pode ser obtido em função da capacidade do gerador e dos arranjos de transferência de carga. iluminação da sala de operação. · Refrigeração de Ambientes: Refrigeração de salas de equipamentos de computação. tratamento de águas servidas. iluminação da sala do gerador. · Energia de Controle: Energia de controle para caldeiras. · Produção: Energia para processos críticos de laboratórios. ventilação de ambientes perigosos. marítimo e aeronáutico. alarme e sinalização.outros ativos valiosos. refrigeração e aquecimento para pessoas que requerem cuidados especiais. 69 . iluminação de segurança. · Sistemas de Sinalização: Controle de tráfego ferroviário. · Transporte: Elevadores para uso do Corpo de Bombeiros. Assim. estas instalações são propriedade das concessionárias de energia elétrica ou estão sob seu controle. de modo que a classificação Prime geralmente representa 90% da classificação Standby. Exemplo: centros de processamento de dados. o Corte de Picos ou de Demanda: As instalações de corte de picos utilizam a geração local para reduzir ou nivelar o uso da eletricidade nos picos com o propósito de economizar dinheiro nos custos de demanda de energia. espera-se que os grupos geradores classificados como Prime funcionem durante um número ilimitado de horas e o grupo gerador é considerado a fonte principal de energia para cargas variáveis. · Standby Legalmente Exigidos: Os sistemas standby exigidos por lei geralmente são instalados por imposição de requisitos legais de segurança pública.Por sua vez. o Cogeração: Freqüentemente. fazendas. pode-se considerar as seguintes classificações: · Sistemas de Emergência. geralmente através de equipamentos de interconexão com a rede da concessionária. espera-se que o grupo gerador produza a saída nominal durante um número ilimitado de horas sob carga constante (aplicações onde o grupo gerador pode ser operado em paralelo com a fonte principal de energia e sob carga básica). mas a falta de energia pode causar perdas de negócios ou receitas. Um relógio de alternância na chave comutadora alterna para o grupo gerador principal em um intervalo predeterminado. a geração de carga básica contínua é utilizada em aplicações de Co-geração. · Standby Opcional: são geralmente instalados onde a segurança não é um fator crítico. Um dos dois grupos geradores funciona continuamente com uma carga variável e o outro serve como reserva no caso de queda de energia e também para permitir o desligamento do primeiro para a manutenção necessária. interrupção de processos críticos. o Carga Básica Contínua: As instalações de carga básica contínua utilizam a geração local para fornecer energia constante (kW). Em geral. Além de proporcionar uma fonte standby de energia em caso de falta de energia da rede normal de eletricidade. a classificação Contínua normalmente é 70% da classificação Standby. edifícios comerciais/industriais e residências. Um sistema simples de energia prime utiliza pelo menos dois grupos geradores e uma chave comutadora para transferir a energia para as cargas entre eles. ou causar inconveniências ou desconfortos. Além disso. Em aplicações de trabalho Contínuo. o Redução de Custos: As instalações para redução de custos utilizam a geração local conforme os contratos de preços de energia elétrica mantidos com a fornecedora dos serviços de energia. a cogeração é a utilização da geração direta da eletricidade e do calor de escape irradiado 70 . Em termos mais simples. os sistemas de geração local também são utilizados para os seguintes fins: o Energia Prime: As instalações de energia prime utilizam a geração local em vez da energia normal fornecida pela rede pública em áreas onde os serviços da empresa fornecedora de energia não estejam disponíveis. A voltagem de CC também é usada para carregar as baterias. fluorescente – uma lâmpada de gás ionizado ativado por reator – aplica-se também para iluminação de descarga de gás. Os tipos comuns de iluminação são: incandescente – conjuntos de padrão de lâmpadas de bulbo que geralmente usam um filamento de tungstênio. deve-se ter em mente que existe uma forte interação entre a carga elétrica e o grupo gerador de forma que qualquer alteração nas características mecânicas do motor provoca uma alteração nas características da alimentação da carga elétrica. sempre que forem conectadas ou desconectadas cargas de um gerador. o tipo de motor – monofásico ou trifásico. cada uma das quais afeta a partida do motor e as características de funcionamento. qualquer alteração no 71 . deve-se esperar por alterações na voltagem e na freqüência. Considerando que um gerador é uma fonte de energia limitada. fora de certos limites. · Cargas de Motor: Existe uma grande variedade de tipos de motores e tipos de cargas conectadas a esses motores. sódio de alta pressão. Se desejar uma medida mais precisa é necessário conhecer as cargas individuais do motor e dos componentes do equipamento de A/C. a utilização de dispositivos de partida direta ou de partida controlada. · Cargas de Ar Condicionado: As cargas de ar-condicionado geralmente são especificadas em toneladas. No geral. surgirão distorções de voltagem na saída do gerador quando forem conectadas cargas não lineares que produzem correntes harmônicas. · Cargas com Alimentação Ininterrupta de Energia: Um sistema estático de alimentação ininterrupta de energia (UPS) usa retificadores de silício controlados (SCRs) ou outros dispositivos estáticos para converter voltagem de CA em voltagem de CC. Essas alterações devem ser mantidas dentro de limites aceitáveis para todas as cargas conectadas. 2. etc.3 Tipos de Carga · Cargas de Iluminação: Os cálculos de iluminação são bastante diretos. que são os componentes de armazenamento de energia para o UPS. dentre outras características. uma soma da potência de lâmpadas ou acessórios. A voltagem de CC é usada para produzir voltagem de CA através de um circuito inversor na saída do UPS. Além disso. O calor irradiado é capturado e utilizado diretamente ou convertido em eletricidade. o que. e as características operacionais das cargas podem ter um efeito profundo na qualidade da energia se o gerador não for dimensionado corretamente. e descarga – sódio de baixa pressão. é prejudicial à mesma. Além disso.7. uma conversão de 2 HP/ton é usada como uma estimativa muito conservadora da carga total para uma unidade de menor eficiência. some as cargas individualmente e acrescente um fator de demanda para as cargas que podem ser iniciadas simultaneamente. De qualquer modo. Para estimar os requisitos de potência em quilowats. ou da potência requerida para os circuitos de iluminação mais a potência requerida para reatores. Isto ainda envolve o tipo de acionamento.para substituir a energia fornecida pela concessionária. deve-se ter em mente que os grupos geradores são pequenas fontes de energia comparadas com a fonte normal da rede pública. 4 Componentes de supervisão e controle Os grupos geradores operam sem supervisão constante dos operadores.comportamento da carga elétrica pode provocar um impacto nas características mecânicas do motor. incluem: a) Pressostato do óleo lubrificante: 72 . Figura 27 – Tolerâncias para cargas elétricas. o motor Diesel poderá sofrer sérias avarias antes que seja possível uma intervenção do operador. Nesse processo. O quadro mostrado na Figura 27 ilustra essa situação e apresenta tolerâncias para algumas cargas elétricas. diversos componentes e sistemas atuam de forma a manter o funcionamento adequado deste conjunto como.7. por exemplo. fornecendo energia elétrica aos consumidores e automaticamente corrigindo a tensão e a freqüência fornecidas. comprometendo o seu funcionamento. a pressão do óleo lubrificante e a temperatura da água de refrigeração. que são reguladas pelas válvulas reguladoras de pressão e termostática. Para prevenir estas falhas. 2. os grupos geradores são dotados de sistemas de proteção. que. dependendo das especificações do cliente. Caso ocorra uma deficiência de funcionamento nos sistemas de lubrificação ou de refrigeração. e o outro para comandar a parada. quando este permite o controle de mais que uma faixa de operação. comanda o desligamento da rede local e aciona a partida automática do grupo gerador. ou outras funções especificadas pelo usuário. no local ou à distância. bateria com deficiência de carga. Estes podem demandar funções de alarme visual ou sonoro. d) Sensor de nível do líquido de refrigeração: É utilizado para acionar. onde há o risco de aspiração de gases inflamáveis. f) Sensor de ruptura da correia: Este sensor é utilizado para prevenir a ruptura da correia da bomba d'água. j) Painel local de instrumentos: 73 . presença de água no filtro de combustível.. outros sensores podem ser adicionados ao sistema. utilizam-se dois pressostatos (ou sensores de pressão) sendo um para alarme. temperatura do óleo lubrificante. indicando a necessidade de completar o nível do sistema de refrigeração. etc. g) Sensor de freqüência: Pode ser utilizado para supervisionar tanto a freqüência do grupo gerador quanto da rede local. na maioria dos casos. Em algumas aplicações. Em algumas aplicações. o sensor de sobrevelocidade é interligado a um dispositivo de corte do ar de admissão. Este dispositivo impede acionar o motor de partida com o motor funcionando. para parar o motor por abafamento. e) Relé taquimétrico: Tem a finalidade de desligar o motor de partida quando a rotação do motor ultrapassa determinado valor. em algumas aplicações. um dispositivo de alarme. calibrado para um valor imediatamente abaixo. pressão do sistema de arrefecimento. sobrecarga no alternador. c) Sensor de sobrevelocidade: Para comandar a parada do motor quando a velocidade de rotação ultrapassa valores predeterminados (geralmente 20% acima da rotação nominal). h) Sensores de tensão da rede e do grupo: Atuam como no caso dos sensores de freqüência. Nos grupos geradores equipados com sistema de partida automática. comanda a parada do grupo gerador e transfere a carga para a rede local quando há anormalidade na freqüência do alternador. b) Termostato para a água de refrigeração: Com função idêntica à acima. conforme o caso. i) Outros sensores: Conforme a aplicação e a solicitação do cliente. também. filtro de ar obstruído.Tem a finalidade comandar a parada do motor Diesel quando a pressão do óleo lubrificante cai abaixo de um valor predeterminado. esta função é também inerente ao sensor de sobrevelocidade. para atuarem quando a temperatura do meio refrigerante ultrapassa valores predeterminados. pois em algumas aplicações exige-se que a parada do motor seja comandada antes da elevação da temperatura da água de refrigeração do motor. ou vice-versa. além do corte de combustível. quando a pressão do óleo atinge determinado valor. Em muitos casos. tais como nível do tanque de combustível. são utilizados dois sensores. comandando a partida e parada. esta velocidade está abaixo de 1. trabalhando a 1800 rpm. Para evitar que vibrações indesejáveis sejam transmitidas às edificações. interface para comunicação e transmissão de dados. é necessário avaliar o peso do conjunto e as freqüências envolvidas para verificar a necessidade de reforço adicional para o piso ou estruturas. pois. k) Quadro de comando: Este quadro abriga os componentes elétricos afetos ao gerador elétrico.7.000 rpm. Estes impulsos. carregador/flutuador de baterias. chaves de transferência automática de carga. Em algumas aplicações. no caso de molas.800 x (2p / 60).7.Para avaliar a performance do motor recomenda-se a instalação de um painel de instrumentos dotado de manômetro para o óleo lubrificante. estas são calculadas pelo fabricante em função de peso e freqüência de trabalho. voltímetro. indicador de carga de bateria e outros instrumentos tais como voltímetro e amperímetro para a bateria. por exemplo. rede local e às cargas. A freqüência natural ou própria do sistema (we) é uma composição de harmônicos e sub harmônicos resultante dos movimentos das massas. para a instalação do equipamento sobre a laje de um pavimento elevado de um prédio. 2. terá 3 tempos motor a cada volta completa da árvore de manivelas. Entretanto. conforme o caso. e sua freqüência é: Wx = 3 x 1. Normalmente é dotado de uma chave seccionadora com fusíveis ou disjuntor para a entrada dos cabos provenientes do alternador. sensores de tensão e freqüência. tais como partida automática. são chamados excitadores principais. esses valores devem ser considerados pelo calculista da edificação. voltímetro e amperímetro do sistema de excitação ou outros instrumentos. chave seletora de voltímetro (para selecionar as fases cujas tensões se quer medir). amperímetros. com todas as manifestações perigosas que costumam acompanhá-la. regulador automática de tensão do alternador e demais componentes elétricos.5 Requisitos da instalação Na maioria dos casos. termômetro para o óleo lubrificante e horímetro. tacômetro. frequencímetro. 2. Por exemplo. termômetro para o sistema de refrigeração.6 Vibrações Um motor Diesel de quatro tempos e 6 cilindros. Nos grupos geradores modernos. entre a base e o piso de apoio são utilizados amortecedores de borracha ou de molas. componentes do governador eletrônico de rotações são também instalados no painel local. chave de partida. em qualquer situação. comando de parada manual. não há necessidade de fundações especiais para suportar o grupo gerador. para efeito de cálculos de freqüência. que devem ser adquiridos juntamente com o equipamento. conforme requerido para a aplicação. Quando ocorre a igualdade das freqüências dos excitadores principais com a freqüência natural (Wx= we). 74 . A velocidade em que Wx= we é conhecida como velocidade crítica. acontece o que se conhece como ressonância. bombas de combate a incêndios e equipamentos de diagnóstico por imagem têm um efeito considerável no dimensionamento do grupo gerador e devem ser considerados com atenção. seja necessário conhecer a freqüência natural de algum componente do ambiente da instalação.8 Especificação do sistema A correta especificação do sistema é fundamental para garantir a sua operação dentro dos limites e condições estabelecidas. garantir a vida útil dos equipamentos e a confiabilidade do sistema. um cálculo de vibrações torsionais para um determinado acoplamento. · Requisitos dos sistemas de monitoramento. Se todas as informações dos equipamentos de carga não estiverem disponíveis desde o início do projeto. Havendo necessidade de estudos mais profundos. queda de voltagem/freqüência e tempos de retomada. será preciso fazer estimativas e suposições para os cálculos do dimensionamento inicial. em determinadas aplicações. Além disso.½ HP por kW. 2. Esses cálculos deverão ser refeitos à medida que forem obtidas informações mais precisas.7 Níveis de ruído As fontes de ruído em um grupo gerador são: 1) Ruídos mecânicos: 2) Ruídos da combustão: 3) Ruídos por variação de carga: 4) Ruído dos ventiladores ou ventoinhas: 2. para saber dos riscos de ressonância com a freqüência dos excitadores principais do grupo gerador. 75 .7. mecânicos e ambientais da instalação. acionadores de freqüência variável (VFD). Neste sentido. · Requisitos elétricos. · Características do tipo de combustível utilizado no motor. durante a partida do motor.É possível que. especificações “justas” sobre desempenho de transiente. e aceitação de carga em blocos também têm efeito considerável no dimensionamento. é essencial elaborar uma programação de carga razoavelmente precisa. · Características do local e do ambiente da instalação.1 Dimensionamento Para fins de orçamento dos custos do projeto. controle e proteção. sistemas de fornecimento ininterrupto de energia (UPS). diversos aspectos devem ser considerados nesta especificação: · Dimensionamento elétrico do gerador a partir de um levantamento de carga confiável.8. 2. Para fins de estimativas preliminares devem ser utilizadas algumas regras básicas: · Motores . Grandes cargas de motor. pode-se solicitar ao fabricante do motor. 100% de superdimensionamento exceto para modulação de largura de pulso.· · UPS . deve-se observar os seguintes aspectos: · Emissão e atenuação dos níveis de ruídos. Dependendo da carga total (geralmente acima de 500 kW). · Acesso para manutenção e inspeções gerais. etc. etc. · Segurança contra inundação. dutos e defletores de ventilação.2 Considerações sobre o Local Uma das primeiras decisões no projeto será determinar se o grupo gerador ficará localizado dentro ou fora do edifício. Quanto ao local externo. tanques de combustível. pode ser vantajoso o uso de grupos geradores em paralelo. manter uma temperatura ambiente mínima de 4º C (40º F) para atender os requisitos de certas normas pode ser difícil em uma carenagem externa „compacta‟ . O custo total e a facilidade de instalação do sistema de energia elétrica dependem do arranjo e da localização física de todos os elementos do sistema . Entretanto. PLC. Embora tecnicamente exeqüível.grupo gerador. · Ramificações dos circuitos para aquecedores de líquido de arrefecimento.Grupos geradores de até 500 kW aproximadamente são fornecidos com carenagens „compactas‟.40% de superdimensionamento para 12 e 6 pulsos. ou 15% de superdimensionamento para 6 pulsos com filtros de entrada e UPS de 12 pulsos. formação de gelo e vandalismo. · Tipos de carenagens . carregador de bateria. · Localização do quadro de distribuição e dos comutadores de transferência. incêndio. em um abrigo ou gabinete. Existem carenagens 76 .8. 2. etc. Acionamentos com velocidade variável . · Possibilidade de danos simultâneos nos serviços da fonte normal e de emergência. O uso de vários comutadores de transferência ou outros meios (relés de retardo de tempo. e então 40% de superdimensionamento. acessórios. Considere os seguintes aspectos tanto para a localização interna quanto externa: · Montagem do grupo gerador. a divisão das cargas em passos discretos ou blocos de carga pode ter um efeito favorável no tamanho do grupo gerador requerido. Ao carregar o grupo gerador.) será necessário para que a voltagem e a freqüência do grupo gerador se estabilizem entre os passos. · Acesso e espaço de trabalho para grandes serviços como revisões ou remoção/substituição de peças. · Contenção de derramamento acidental ou vazamento de combustível e de líquido de arrefecimento. o uso de grupos geradores em paralelo não é economicamente aconselhável quando a carga total for igual ou menor que 300 kW. sugere-se a consulta às autoridades locais para obter os requisitos aplicáveis. Na prática. Proteção contra descargas atmosféricas (raios). Acesso . tais como equipamentos de aquecimento do edifício. No entanto. Cercas de proteção e barreiras visuais. deve haver pelo menos 1 m (3 pés) de espaço livre em torno de cada grupo gerador. paredes removíveis da carenagem. p. distância adequada de estruturas próximas e acesso aos equipamentos de suporte necessários. ex. As portas de acesso devem. Aterramento . Se for necessário um grande serviço devido ao número de horas de operação ou dano/falha de grandes componentes.A ventilação envolve grandes volumes de ar. Além disso. as entradas de acesso se tornarão críticas. Se forem incluídos recursos de atenuação de ruídos. O escape do motor deve ser direcionado para longe de ventilações e aberturas do edifício. substituição de componentes (tais como radiador ou alternador) ou recondicionamento devem ser considerados no projeto da carenagem e na instalação de grupos geradores próximos a outros equipamentos ou estruturas. abrir para dentro da sala ou serem protegidas por anteparos – de maneira que possam ser abertas quando o grupo gerador está funcionando. portanto. o tamanho da carenagem aumentará consideravelmente.O acesso para grandes reparos. · Tipo do sistema de arrefecimento – Recomenda-se um radiador montado na fábrica. · Ventilação . como um radiador. mas o ventilador do radiador pode criar uma pressão negativa significativa na sala.Eletrodos ou anéis de aterramento podem ser necessários para aterramento separado ou derivado do sistema e/ou do equipamento. certas normas podem exigir que a sala do gerador seja utilizada somente para acomodá-lo. · Área de trabalho – A área de trabalho ao redor de equipamentos elétricos normalmente é especificada por normas. · Classificação contra incêndio na construção da sala: o As normas geralmente especificam uma capacidade mínima de resistência contra incêndio de 1 ou 2 horas. o ar é sugado diretamente do exterior e expelido para fora pela parede oposta.· · · · · · com cobertura para a maioria dos grupos geradores.). Essas entradas incluem tampas de acesso. deve-se observar os seguintes aspectos: · Sala exclusiva para o gerador – Para sistemas de energia elétrica de emergência. Num projeto ideal de sala. Quanto ao local interno. o projeto da instalação deverá prever o acesso para grandes trabalhos (como recondicionamento ou substituição de componentes. A substituição do alternador deve ser feita sem a necessidade de remoção de todo o conjunto ou qualquer acessório. Considere também o efeito que um grande fluxo de ar da ventilação poderia ter sobre outros equipamentos na mesma sala. Distâncias dos limites da propriedade. Para configurações opcionais de arrefecimento de grupos geradores 77 . Armazenamento e tubulação de combustível – As normas locais podem especificar métodos de armazenamento de combustível dentro de edifícios e restringir as quantidades armazenadas A localização dentro de um edifício dever permitir o acesso para a entrega e instalação do produto e posteriormente para serviços e manutenção. 2. se exigido. são necessárias em vários intervalos. deve ser considerado no início do projeto preliminar. líquido de arrefecimento. os métodos recomendados de controle de ruído alteram ou redirecionam o caminho do ruído da fonte no grupo gerador até as pessoas que o ouvem. as entregas de combustível. as questões ambientais envolvem os problemas relacionados a ruídos. ou na rampa de um estacionamento aberto. A localização lógica para um grupo gerador num edifício com base nestas considerações é no andar térreo.. O ideal é que a sala tenha duas paredes externas opostas entre si de forma que o fluxo do ar de entrada flua sobre o grupo gerador e seja levado para fora através da parede oposta. lembre-se que podem ser necessários equipamentos pesados para a instalação e grandes serviços na unidade. etc. Sabendo-se que estas são áreas nobres de um edifício. requerem um planejamento complementar e considerações sobre o projeto estrutural. As vibrações e o armazenamento/entrega do combustível podem ser problemáticos em instalações deste tipo. Além disso. As instalações sobre lajes. próximo a um estacionamento ou pista de acesso. não são permitidos abafadores de incêndio em dutos para o interior das salas. óleo. Geralmente. embora comuns. Na maioria dos casos. A eficiência do controle de ruídos deve levar em conta todas essas fontes.8. no lado do radiador da unidade. emissões dos gases de escape e armazenamento de combustível. Fornecer fluxo de ar para o interior da sala pode ser um problema.· · · · · · que envolvam trocadores de calor ou radiadores remotos. O controle de ruídos. Um grupo gerador é uma fonte complexa de ruídos que inclui ruídos do ventilador de arrefecimento. os métodos de controle de ruídos resultam em um custo considerável e aumentam a área física necessária para a instalação. Um sistema de combustível provavelmente será projetado com tanques de suprimento. serão necessários ventiladores para a ventilação da sala. linhas.. se for necessário um outro local. tanques diários. Geralmente. etc. Escape do motor – A saída de escape do motor deverá ser tão alta quanto a prática permitir no lado descendente dos ventos dominantes e volta da diretamente para fora da ventilação e aberturas do edifício. 78 . do motor e do escape.3 Considerações Ambientais Conforme já foi abordado anteriormente. Locais internos geralmente requerem uma sala exclusiva com estruturas contra fogo. bombas. mas as trocas de óleo lubrificante e de líquido de arrefecimento poderão ser dificultadas se os materiais tiverem que ser transportados manualmente em barris ou baldes. definidos pela concessionária local de forma a evitar que um acoplamento inadequado provoque erro de sincronismo. Uma configuração típica de uma planta de geração de energia elétrica é apresentada na Figura 28. Certas localidades podem ter normas específicas exigindo o uso de motores alimentados a gás ou estratégias de pós-tratamento dos gases de escape para motores diesel. riscos de morte aos operadores da unidade geradora ou da rede elétrica. 2. ou ambos. provoque instabilidade e mau funcionamento do gerador e provoque eventos indesejáveis na rede da concessionária ou.Simplesmente usar um abafador de grade poderá ou não contribuir para reduzir o nível do ruído em um determinado local. para que a geração distribuída seja viabilizada é fundamental a disponibilidade de um sistema de monitoramento.9 Monitoramento. Como os ruídos são direcionais. Uma unidade de geração distribuída deve atender a um conjunto de requisitos. atuação indevida da proteção do gerador ou da rede elétrica. a conexão com a rede de distribuição e a proteção da unidade geradora. os grupos geradores podem estar sujeitos a normas de controle de emissões de escape do motor em nível local ou nacional.1 Plataforma de atuação do SMCP Um SMCP deve atender os requisitos para atuar em uma planta de geração de energia elétrica a partir de um grupo motor-gerador. Dessa maneira. deve-se considerar com cuidado os aspectos de localização. Independentemente da aplicação a que estiver vinculado. orientação e distância do grupo gerador em relação aos limites ou locais da propriedade onde os ruídos possam ser um problema. consumidores e agências reguladoras. 79 . controle e proteção: conceitos Diversos fatores são importantes no processo de implantação de uma unidade de geração distribuída. bem como da rede de distribuição a ela associada. principalmente a segurança elétrica de pessoas e instalações.9. verifique junto ao órgão municipal de controle da qualidade do ar as normas existentes de controle de emissões. controle e proteção (SMCP) que atenda às atuais barreiras existentes entre os diversos agentes do setor elétrico – concessionárias. A conformidade com as normas de emissões geralmente requer permissões especiais. ainda. Ainda no início da fase de qualquer projeto. 2. Figura 28 – Grupo motor-gerador Onde: 1) Motor de combustão interna (máquina primária): Responsável pela energia mecânica que será transmitida ao gerador. controle e segurança. é necessário o atendimento a certos requisitos de sincronismo. Dessa forma. De maneira geral. · Requisitos de monitoramento: Deve acompanhar a situação operacional do sistema de modo que os requisitos de controle possam ser atingidos. e devem estar em fase. os requisitos que devem ser respeitados são: · Requisitos de sincronismo: A tensão gerada e da rede devem possuir o mesmo módulo e frequência. 3) Gerador Síncrono: transforma a energia mecânica proveniente do motor em energia elétrica. o SMCP deve interagir com os componentes da unidade de geração de energia elétrica com biogás conforme o esquema apresentado na Figura 1. Para que a interconexão do gerador com a rede elétrica da concessionária ocorra de maneira segura e confiável. 80 . · Requisitos de controle: O controle deve manter a geração em sincronismo com a rede. · Requisitos de segurança: Deve atender às exigências da concessionária local e da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) para a interconexão da unidade de geração à rede elétrica. 2) Acoplamento motor-gerador: responsável pela transferência da energia mecânica gerada pelo motor para o gerador.2. proteger a unidade geradora e a rede de distribuição contra distúrbios e garantir a segurança dos operadores da unidade de geração e da rede elétrica. monitoramento. enquanto que as variáveis elétricas estão presentes tanto no gerador quanto no sistema de alimentação da concessionária e contatores. As variáveis mecânicas possuem origens não tão restritas como as elétricas. 7) Estado do óleo e temperatura da máquina primária.Figura 29 – Representação esquemática do SMCP Onde: 1) Controle sobre a admissão e qualidade do biogás injetado no motor. Para a identificação correta das variáveis a serem monitoradas devem ser identificadas as variáveis que sinalizam um estado normal de operação do sistema no que tange o conjunto moto-gerador. 81 . a rede elétrica e seus componentes. 2. necessitam de uma maior diversidade de equipamentos (transdutores/sensores) para seu monitoramento. 3) Controle de excitação do gerador. 6) Atuação e estado do contator da carga local.up.9. Frente às características da planta de geração de energia elétrica para a qual foi desenvolvido o SMCP. 2) Medição da velocidade de rotação da máquina primária através de pick. sendo assim. · Sinalizadores de correto funcionamento do motor o Velocidade. 4) Medição da corrente e tensão nas três fases do gerador. Basicamente as variáveis elétricas a serem monitoradas estão relacionadas com a tensão e corrente. As variáveis mecânicas estão presentes principalmente na máquina primária do conjunto moto-gerador. bem como as variáveis que influenciam no processo de geração. 5) Atuação e estado do contator da rede (MCB) e da carga local (GCB). o conjunto das principais variáveis monitoradas pode ser subdividido em variáveis mecânicas e variáveis elétricas.2 Sistema de monitoramento O processo de geração de energia deve ser equipado com um sistema que possibilite o monitoramento do estado dos equipamentos nesse processo. o Potência Ativa.1 Controle da máquina primária De forma resumida. diminuindo por conseqüência o rendimento térmico do motor e a potência gerada. Sinalizadores de correto funcionamento da rede elétrica o Tensão em todas as fases.· · · Temperatura. o 2. Sinalizadores de correto funcionamento dos componentes o Estado dos controladores de conexão à rede elétrica. aumentar-se-á a potência do motor. A velocidade de rotação da máquina pode ser controlada através da quantidade de combustível injetada no motor. as principais são a velocidade de rotação e potência entregue à carga. o Estado da bateria. o Estado do óleo. A cogeração seria algo impossível sem a existência de um sistema de controle adequado. Praticamente todos os dispositivos que participação da geração sofrem influência do sistema de controle. o Frequência.3 Sistema de controle Durante o processo de geração de energia elétrica alguns parâmetros devem ser pré-definidos. o Estado da alimentação dos dispositivos.9. o Corrente em todas as fases. a máquina primária é responsável por gerar a energia mecânica que será transmitida ao gerador e transformada em energia elétrica.3. 2.2 Controle da mistura ar/gás 82 . Sinalizadores de correto funcionamento do gerador o Tensão em todas as fases. o Potência Reativa. o Frequência. o Estado dos relés auxiliares. Entre as variáveis a serem controladas na máquina primária. Estes parâmetros devem ser respeitados e algum dispositivo deve ser responsável pelo controle dos mesmos. 2.9. Entretanto. como por exemplo a frequência de operação da rede elétrica e seu respectivo nível de tensão. mantendo as variáveis do sistema em níveis pré-definidos. a combustão já não será perfeita. se a mistura for extremamente rica.3. O peso específico da mistura pode ser alterado por meio do controle da mistura ar/gás. que pode ser conseguido enriquecendo-a. Aumentando-se o peso específico da mistura.9. para se determinar as características do combustível usado e assim pré-ajustar o processo de combustão. Este método é muito eficiente. levantar a composição química do energético para estabelecer a relação ar/combustível mais apropriada para a combustão. barato e de tecnologia totalmente dominada. desta forma. Figura 30 . No primeiro caso. o sinal de ionização não é dependente somente das características químicas do combustível mas também do calor gerado na combustão. geralmente o que se faz é desviar uma pequena parcela do combustível para um calorímetro. A Figura 30 mostra uma sonda e a Figura 31 um diagrama do controle do misturador.Sonda Lamba 83 . os pequenos consumidores de energéticos convencionais ou alternativos ficam descartados. Esta tecnologia se encontra em fase de amadurecimento e ainda não está disponível para os consumidores em geral. A eficiência da reação de combustão é aquela em que a relação ar/combustível pode ser determinada a partir da medida da concentração de oxigênio nos gases de combustão. e só é viável para os grandes complexos industriais. Nesta situação. Por ser uma tecnologia já bem amadurecida na indústria automobilística. 2001). A sonda ou o sensor Lambda usada em automóveis pode ser do tipo paramagnético. durante ou depois da combustão propriamente dita (Wawrzinek e Trimis. O outro método de controle da combustão é aquele em que os parâmetros são monitorados durante a combustão. atualmente uma sonda Lambda simples é adquirida por 70 reais. e a partir daí. limitando a faixa de operação deste tipo de monitor. A grande vantagem é que este tipo de sensor é disponível em qualquer casa de autopeças. porém muito dispendioso. Neste caso. Em termos comparativos. ela se apresenta com potencialidades vantajosas para a sua adaptação no setor industrial da combustão. eletroquímico ou a base de dióxido de zircônio. e as medidas da corrente elétrica de um sensor de ionização correlacionam a temperatura da chama ou a relação ar/combustível com a eficiência da combustão. com durabilidade de 7 anos em operação intermitente ou de 1 a 2 anos em operação direta. Este processo geralmente é realizado nos automóveis por um sensor de oxigênio também chamado de sonda Lambda.O controle da eficiência e emissão de poluentes na combustão industrial de qualquer energético pode ser realizado antes. os quais investem pesadamente em tecnologia importada ou desenvolvida em seus centros tecnológicos. Existem vários fabricantes que dispõe de válvulas dedicadas ao controle baseado em sinais de sondas lambda. sendo que um dos produtos que podem ser destacados é o Lseries. Uma solução simples e eficiente de se controlar a quantidade de combustível injetada na máquina primária seria através do uso de alguma válvula entre o misturador ar/gás e admissão do motor. A figura abaixo representa o processo de controle da mistura.9.Figura 31 . 84 . Além da válvula para controlar a quantidade de combustível injetada no motor seriam necessários também um controlador para esta válvula e um sensor responsável pela informação da velocidade atual do motor.Diagrama de controle do misturador.Controlador de mistura Ar/Combustível LSeries 2.3.3 Controle da velocidade de rotação do motor A rotação de trabalho do motor depende da quantidade de combustível injetada e da potência fornecida à máquina acionada (gerador). Uma maneira simples de se realizar o controle de mistura seria o controle de admissão de gás antes que a mistura ar/gás seja feita. da fabricante Woodward. Além do sensor de mistura. o sistema deve possuir um atuador que possa fazer o controle da mistura. Figura 32 . a filosofia de controle de geradores síncronos de médio porte conectados em redes de distribuição é diferente daquela adotada no caso de geradores síncronos de grande porte conectados em sistemas transmissão.4 Controle da tensão do gerador Muitas vezes. usualmente. os geradores são operados de forma a manter potência ativa constante independentemente da frequência da rede (Jenkins et al. Utiliza o princípio da geração de energia elétrica por indução. Fornecem uma tensão alternada de forma quadrada em sua saída quando um objeto ferroso se movimenta em sua face sensível magnética e possui frequência proporcional ao número de dentes da roda dentada e a rotação. sobretudo no que diz respeito ao sistema de controle de tensão e frequência. 1994).3. o regulador de velocidade dos geradores de grande porte é ajustado de forma a manter operação com frequência constante. por exemplo. Um determinado sinal de erro é enviado para o regulador e a tensão de campo Efd da excitatriz é ajustada baseada na saída do regulador. A excitatriz pode ser controlada para atuar como um regulador de tensão ou de fator de potência. 85 . A estrutura geral do sistema de excitação de um gerador síncrono é mostrada na Figura 34. Figura 33 . No caso de sistemas de transmissão. limitam a quantidade de potência reativa injetada ou consumida pelo gerador (Kundur. o conjunto regulador/excitatriz usualmente é equipado com limitadores de sobre/sub excitação. Sensores pick-up magnético são sensores ideais para medição de rotação ou monitoração de velocidade de máquinas diversas a partir de rodas dentadas (engrenagens). Ao passo que no caso de redes de distribuição.9.Sensor PICK-UP 2.A forma mais comum e de um custo relativamente baixo de se obter a velocidade de rotação do motor seria utilizando um sensor pickup magnético. 2000). os quais. Além disso. de fato. um regulador e uma excitatriz.. a qual consiste de circuitos de medição e processamento de sinais. 6 Sistema de Proteção Uma referência importante para o sistema de proteção são as premissas indicadas na interconexão de GD com o sistema elétrico no entendimento do IEEE (IEEE.3. 86 .5 Controle do fator de potência A maioria das máquinas síncronas se conectam aos grandes sistemas de potência de tal forma que a tensão em seus terminais não se altera devido à carga.9. 2003). a máquina síncrona ainda dispões de duas variáveis a serem controladas. quando o gerador passa do estado isolado para o estado paralelo. o que significa que sua tensão permanece constante e que não há variação na sua frequência. 2. Quando conectado em paralelo.Figura 34 . foram identificadas as condições impostas pela concessionária em termos de proteção para a conexão de geradores de pequeno porte em paralelo com a rede de distribuição. Assim. o controlador de tensão passa a assumir o papel de controlador de fator de potência. mesmo com as alterações que se façam na operação da máquina.9. 2. Neste caso. Dessa forma. o ponto de conexão do gerador é denominado de barra infinita. a corrente de campo e a potência mecânica entregue ao rotor da máquina.3.Diagrama esquemático do sistema de controle de excitação de um gerador síncrono. concessionária Corrente nas fases do gerador Frequência da concessionária Frequência do gerador Potências ativa e reativa do gerador Status dos contatores da concessionária e do gerador Status dos relés auxiliares Temperatura do motor Status do óleo do motor X X X X X X X X X X X X X X X Sistema de Monitoramento X Sistema de Controle X Sistema de Proteção X X X X X 87 . foi definida uma matriz de relacionamento onde os parâmetros da planta de geração de energia com biogás são correlacionados aos sistemas que compõem o SMCP. Figura 36 . Isso evita retrabalho ou redundância dos equipamentos que executam as atividades. A tabela abaixo apresenta os parâmetros comuns aos distintos sistemas que compõe o SMCP.concessionária e do gerador Correntes .7 Arquitetura do Sistema O SMCP caracteriza-se por ser um dispositivo onde os sistemas de controle.Reaproveitamento das variáveis em um SMCP Levando-se em consideração as variáveis envolvidas no sistema.Esquema lógico das proteções 2. A Figura 36 abaixo ilustra o conceito de reaproveitamento das variáveis.Figura 35 .3. A interação entre os sistemas que compõe um SMCP se manifesta através do redirecionamento das operações comuns aos distintos sistemas.9. Tabela 6 – Matriz de correlação entre os parâmetros da planta de geração com biogás e SMCP Parâmetro Tensão . monitoramento e proteção interagem para desempenhar a função para o qual foi desenvolvido. Potência reversa (32). Monitoração de kW da concessionária por controle de importação e exportação ou controle em base de carga. Sinal de controle para regulador de velocidade.sobre/subfrequência. Sobre/subtensão (27 e 59). No entanto. Temporização com controle de pré-partida. Função de transferência suave em rampa com a concessionária. que trazem integradas funcionalidades de controle e também proteção.sobre/subtensão. Assim. Partida e parada manual. Sobrecorrente (50/51). 2. as características operacionais do SMCP são apresentadas na Tabela 7. Monitoração de 2 fases . como é o caso da maioria dos controladores de geradores de pequeno porte.4 Componentes do SMCP Alguns equipamentos podem conter múltiplas funcionalidades. Desbalanceamento de carga (46). Transferência automática. Operação em paralelo. Monitoração de deslocamento de fase. Operação isolada. Disponíveis proteções opcionais. Transferência sem interrupção. Variação de Freqüência (78TX).Status da bateria do painel Velocidade do motor Admissão de gás no motor X X X X X Através da tabela acima pode ser desenhada uma arquitetura para representar o tramite de dados entre os equipamentos que interagem no SMCP. Rampas de tomadas/retirada de carga ajustáveis. Sobrecarga (32).9. Transferência aberta. 1 Controle do Motor 2 Proteção contra falha da concessionária 3 Proteção do gerador 4 Controle do gerador 5 Monitoração e controle – potência ativa 88 . Saídas de contatos aumenta/diminui. Monitoração de sobrevelocidade. Tabela 7 – Características operacionais do SMCP Item Operação Característica Partida e parada automática . as características operacionais do SMCP são baseadas nas funcionalidades dos dispositivos que o integram. Monitoração das 3 fases . Sobre/subfrequência (81).motores a gás e a diesel. Transferência suave em rampa. calibração e gráficos de tendências. 485. com o uso do GW4 gateway. Relé de religamento rápido (liga o MCB após o retorno da concessionária). Interfaces e protocolos disponíveis: . Sinal de controle para o regulador de tensão. Configuração. 422. Seleção de modo de sincronismo. controle e monitoração remota. 8 Comunicação 89 . . 7 Sincronização Operação com disjuntor ou contator. Modbus RTU / Porfibus DP / CAN / Modem. Sincronismo em barra morta do GCB e MCB. RS 232.6 Monitoração e controle – potência reativa Controle do fator de potência em paralelo com a concessionária. Interface para PC para configuração.