Espacios. Vol. 36 (Nº 19) Año 2015. Pág. 10

Auto-suficiência energética no horário de ponta: Análise técnico-econômica de geradores operados com diesel e biodiesel obtido através do óleo de fritura usado

Energy self-sufficiency on peak hours: technical and economic analysis of generators operated with diesel and biodiesel obtained from the used frying oil

Carlo Alessandro CASTELLANELLI 1

Recibido: 11/06/15 • Aprobado: 25/08/2015

Contenido

1. Introdução

2. Biodiesel

3. Consumo energético e a demanda contratada nas empresas

4. As empresas e a variável ambiental

5. Metodologia

6. Resultados e Discussão

7. Conclusão

Referências Bibliográficas

1. Introdução

Historicamente no Brasil, o consumo de energia elétrica em taxas superiores às de crescimento do PIB vem se repetindo há cerca de 30 anos, devendo se manter assim no futuro próximo. Tem sido crescente a expectativa de crise no setor elétrico brasileiro, em função da defasagem entre o crescimento da demanda e a necessidade de investimentos, que até então vinham sendo feitos somente pelo setor público.

A demanda de energia no Brasil apresenta-se de forma totalmente irregular, originando períodos críticos de consumo, exigindo geração máxima, e em outros de baixa demanda, a geração torna-se ociosa. No Brasil, o principal período crítico de consumo, também chamado de horário de ponta corresponde ao intervalo entre as 17 e 22 horas. Segundo Farret et al. (2005), o horário de ponta afeta o sistema elétrico brasileiro, em função da elevada demanda de energia, bem como as indústrias, devido ao alto custo da energia consumida neste horário.

Em função do atual regime de tarifas, cresce o número de empresas que, por motivos de economia e segurança, optam pela contratação do fornecimento de energia elétrica pelo regime de tarifa horo-sazonal (tarifa azul e tarifa verde) e utilizam grupos geradores para o suprimento de energia elétrica nos horários de ponta, reduzindo seus custos com o consumo de energia elétrica, contribuindo dessa forma para mitigar os impactos ambientais advindos de diversas usinas de geração de energia, como termelétricas e das hidrelétricas, por exemplo. Leite (2005), afirma que a implantação de hidrelétricas pode gerar impactos ambientais na hidrologia, clima, erosão e assoreamento, sismologia, flora, fauna e alteração da paisagem. Soma-se a isso a inundação de cidades, ocasionando o deslocamento de populações, o eventual mau uso da água, que é um bem de múltipla utilização, e a possibilidade de emissão de gás metano, pela decomposição orgânica gerada pelos alagamentos.

Este trabalho contemplou um estudo em um supermercado de grande porte na cidade de Santa Maria - RS, que, devido à sua expansão, adquiriu 3 grupos geradores diesel, optando por suprir a sua demanda de energia no horário de ponta através dos mesmos. Realizou-se um estudo comparativo econômico e de desempenho da geração entre a energia advinda da concessionária, utilização de diesel nos geradores e uma proposta de utilização de biodiesel advindo do óleo de fritura usado nos geradores, assim como demonstra-se o custo e benefícios desta operação para empresas que ainda não possuem a auto-suficiência energética no horário de ponta.

2. Biodiesel

O biodiesel é uma evolução na tentativa de substituição do óleo diesel por biomassa, iniciada pelo aproveitamento de óleos vegetais "in natura". É obtido através da reação de óleos vegetais, novos ou usados, gorduras animais, com um intermediário ativo, formado pela reação de um álcool com um catalisador, processo conhecido como transesterificação.

Os produtos da reação química são um éster (o biodiesel) e glicerol. Os ésteres têm características físico-químicas muito semelhantes às do diesel, conforme demonstram as experiências realizadas em diversos países (Rosa et al., 2003), o que possibilita a utilização destes ésteres em motores de ignição por compressão (motores do ciclo Diesel). Sob o aspecto ambiental, o uso de biodiesel reduz significativamente as emissões de poluentes, quando comparado ao óleo diesel, podendo atingir 98% de redução de enxofre, 30% de aromáticos e 50% de material particulado e, no mínimo, 78% de gases do efeito estufa (Rosa et al, 2003).

2.1 O biodiesel obtido através do óleo de fritura usado

O lixo, para a geração elétrica, segundo Oliveira (2001), e o biodiesel, principalmente para propulsão veicular e também para geração elétrica apresentam qualidades adicionais à biomassa cultivada. Suas principais vantagens são as seguintes: (i) tanto os equipamentos quanto os insumos necessários para sua produção são de origem nacional e, por isso, são cotados em moeda brasileira; (ii) exigem muita mão-de-obra, uma vez que o lixo precisa passar por um processo de triagem, para obter biomassa residual e reciclável, e dos insumos residuais para a produção de biodiesel – e cultivo e extração, para obtenção de insumos novos para biodiesel; (iii) o fato de estar disponível, normalmente, junto aos consumidores, reduz o custo de transporte, seja da energia ou do combustível; e (iv) acarreta a redução da poluição decorrente da substituição de combustíveis fósseis por fontes alternativas de energia. No caso do biodiesel, é reduzida a importação de óleo diesel e petróleo.

Estas qualidades adicionais podem ser comprovadas por meio de uma análise integrada (técnica, social, econômica e ambiental) dos diversos efeitos desse aproveitamento, entre eles o potencial de aumentar em 30% a oferta de energia elétrica e substituir 1% do óleo diesel imediatamente, a custos já competitivos Rosa et al (2003); e alavancar a produção agrícola para atender à demanda interna e externa. Na esfera residual ocupam lugar de destaque os insumos derivados de processos industriais, pecuária e, principalmente, da indústria alimentícia, que apresentam potencial químico para transformação em biocombustível. Os mais representativos são os óleos vegetais utilizados na fritura de alimentos, e os ácidos graxos encontrados tanto na gordura animal quanto no esgoto sanitário (este é um resíduo público, enquanto os demais são resíduos privados). A isso, somam-se o fato de estarem disponíveis imediatamente, uma vez que não é necessário planejar sua produção, e de sua localização ser a mesma dos consumidores de energia, quer estejam nas cercanias das cidades (uma vez que o lixo é praticamente padronizado em todo o território nacional) ou nas unidades produtivas rurais (onde os insumos são mais específicos), sinalizando para a prioridade de seu aproveitamento.

Assim, ao contrário da energia eólica e das Pequenas Centrais Termelétricas (PCHs), cuja exploração depende da disponibilidade do recurso natural e cujas áreas para instalação de empreendimentos normalmente ficam longe dos centros urbanos, a biomassa residual pode ser utilizada em usinas instaladas nas áreas de vazadouro de lixo, o que exige menos investimento em linhas de transmissão, ou nas fazendas de cultivo.

Além disso, essa transformação dos resíduos em biocombustíveis permite reduzir o impacto ambiental causado pela sua má disposição final, e diminui a emissão de gases de efeito estufa, outrora emitidos em larga escala pelo diesel convencional.

A reciclagem de resíduos de frituras vem ganhando espaço investigativo no Brasil, com proposição de metodologias de reciclo apropriados, destacando-se, entre outros, a produção de ésteres de ácidos graxos, os biocombustíveis. Além disso, os ésteres de ácidos graxos não contribuem com a formação do "smog" fotoquímico, fenômeno que é caracterizado pela formação de substâncias tóxicas e irritantes na presença de energia solar. Este aspecto positivo dos ésteres de ácidos pode ser explicado pelo fato de que esses compostos não possuírem nitrogênio em suas estruturas. Convém ressaltar que os ésteres de ácidos graxos também não apresentam enxofre, e desta forma, não contribuem com fenômenos como o da acidificação das precipitações.

O descarte de óleos de fritura usados nas pias e vasos sanitários, ou diretamente na rede de esgotos, além de provocar graves problemas ambientais, contribui para o mau funcionamento das estações de tratamento de águas residuais, além de representar um desperdício de uma fonte de energia. Os óleos de frituras usados se lançados na rede hídrica e nos solos provocam a poluição de ambos. Se o produto for para a rede de esgoto encarece o tratamento dos resíduos, e o que permanece nos rios impermeabiliza os leitos e terrenos adjacentes que, por sua vez, resulta nas enchentes. Também obstrói os filtros de gorduras das estações de tratamento, tornando-se um obstáculo para o seu ótimo funcionamento (Felizardo, 2003).

O resíduo óleo de fritura usado pode ser processado de várias formas interessantes, entre elas a produção de artigos de uso comum como o sabão, lubrificante ou biocombustível. Nesse aspecto deve levar-se em consideração que, do ponto de vista ambiental, a sua utilização na produção de biocombustíveis é vantajosa, além disso, em termos de recolhimento e recuperação, apresenta a melhor relação preço versus eficácia.

Quercus (2002), relata que a produção de biodiesel tendo como fonte os óleos alimentares usados permite reutilizar e reduzir em 88% o volume desses resíduos, sendo 2% matéria sólida, 10% glicerina e 88% éster com valor energético, ou seja, recupera-se um resíduo que, de outra forma, provoca danos ao ser despejado nos esgotos. Segundo Peterson e Reece (1994), testes nas emissões mostraram uma diminuição de 54% em HC, 46% de CO2 e 14,7 de Nox, na utilização do biodiesel obtido de óleos de fritura usados, em comparação ao diesel convencional.

De acordo com Mittlebach e Tritthart (1988), o biodiesel resultante da transesterificação de óleos de fritura apresentou características bastante semelhantes aos ésteres de óleos antes da sua utilização para fritura. Apesar de ser um combustível oriundo de um óleo parcialmente oxidado suas características são bastante próximas as do óleo diesel convencional. Isso ficou comprovado por meio da análise da curva de destilação na qual verificou-se que esse óleo apresenta, inclusive boa homogeneidade.

3. Consumo energético e a demanda contratada nas empresas

A atual crise de energia brasileira, causada pela falta de infra-estrutura do sistema elétrico brasileiro, o qual não conseguiu acompanhar o crescimento de consumo, confirmou as dificuldades de uma resposta imediata da oferta. Com a chegada do plano real, não houve investimento suficiente por parte das estatais para acompanhar crescente consumo energético no país. A Resolução 456 da Agência Nacional de Energia Elétrica define dois grupos de consumidores de energia elétrica. Pertencem ao grupo "A" os consumidores com tensão de fornecimento igual ou superior a 2,3 kV. Já os consumidores do grupo "B" são aqueles com tensão de fornecimento inferior a 2,3 kV.

As estruturas tarifárias atualmente empregadas para consumidores do grupo "A" são a convencional e horo-sazonal. A estrutura tarifaria convencional caracteriza-se pela aplicação de tarifas de consumo de energia elétrica e/ou demanda de potência independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano. Já a estrutura horo-sazonal caracteriza-se pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica e demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia e dos períodos do ano, especificadas como tarifas verde e azul. A tarifa verde aplica tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, com uma única tarifa de demanda de potência. A tarifa azul aplica tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, bem como tarifas diferenciadas de demanda de potência de acordo com as horas de utilização do dia.

O horário de ponta adotado pelas concessionárias de energia para a aplicação das tarifas do grupo "A" corresponde ao período de três horas consecutivas, entre as 17 e as 22 horas, em função do seu máximo fornecimento de energia. No Rio Grande do Sul, estado qual foi tomado como base do estudo o horário de ponta corresponde ao período das 18 às 21 horas. A figura 1 apresenta as características da curva de carga diária de um consumidor genérico.

Figura 1 – Características da curva de carga diária de um consumidor genérico

Por estabelecer um custo de energia bastante alto no horário de ponta e bastante baixo no horário fora de ponta, bem como um único valor de demanda contratada, a tarifa horo-sazonal verde do grupo "A" é a que pode proporcionar uma maior redução de custos, desde que a empresa não opere no horário de ponta. A maioria das empresas classificados no grupo "A", sem gerador próprio, optam pelas tarifas convencionais ou horo-sazonal azul, devido à necessidade de funcionamento no horário de ponta. Muitos deles, visando a tarifa horo-sazonal verde, adquirem grupos geradores diesel para suprimento no horário de ponta, dispensando a energia da concessionária neste horário. Neste caso, a acentuada redução de gastos com energia justifica o investimento em geradores particulares.

Esse tipo de acordo faz também com que as empresas contribuam com o meio ambiente, sendo que se o consumo de energia fornecido pelas concessionárias aumentar a ponto do sistema não conseguir acompanhar tal demanda, novas usinas para a geração de energia, inclusive hidrelétricas e termelétricas terão de ser construídas, causando malefícios ambientais. Os impactos advindos da utilização do diesel fóssil podem ser mitigados pela utilização de combustíveis limpos, como é o caso do biodiesel obtido a partir do óleo de soja.

4. As empresas e a variável ambiental

Ferraz et al. (1995), demonstram que, dada a capacitação produtiva e tecnológica existente no país, a questão ambiental oferece a oportunidade de constituir-se em uma das bases de renovação da competitividade das empresas brasileiras. Contudo, faz-se necessária a adoção de uma postura pró-ativa com relação ao meio ambiente, por parte dos empresários. Esta atitude pró-ativa pode construir, a médio e longo prazo, vantagens competitivas de difícil superação pelos competidores.

De acordo com Mercado e Córdova (2005), conforma-se, então, um ciclo de melhorias na produção, levando a uma melhora ambiental, que está relacionada tanto a processos de inovação tecnológica quanto ao sistema produtivo. Segundo evidências apresentadas por outros autores, estas melhorias representam um notável aprendizado das empresas. Por meio da redução de custos de produção, do desenvolvimento de novos produtos e, mais recentemente, para melhorar sua imagem, as empresas utilizam a melhoria ambiental como um diferencial competitivo, fortalecendo suas posições de mercado (Chen et al., 2006).

Todas estas questões, ou janelas de oportunidade podem ser analisadas à luz do pensamento de Hamel e Prahalad (1995). Estes autores sugerem que os empresários precisam desenvolver, urgentemente, uma visão do futuro. Além de desenvolver esta visão, é preciso que o futuro seja criado pela empresa. Ou seja, deliberadamente a empresa precisa criar hoje as assimetrias de mercado que lhe favorecerão no futuro. Conforme Hamel e Prahalad (1994), o truque consiste em ver o futuro antes que ele chegue. Saber identificar oportunidades não percebidas por outras empresas e explorar estas oportunidades, através da reunião e geração das core competences ou capacitações-chave necessárias, pode ser o diferencial entre sobreviver ou morrer (HAMEL & PRAHALAD 1994).

5. Metodologia

O supermercado estudado utiliza a tarifação verde, optando por suprir sua energia no horário de ponta através de 3 grupos geradores com motores Cummins, modelo 4BTA3.9. Todos os procedimentos e trabalhos realizados para a avaliação de desempenho e emissões do motor objeto do teste, adaptado à alimentação com combustível à base de mistura diesel/biodiesel, foram desenvolvidos em bancada dinamométrica. As emissões gasosas foram avaliadas por um analisador contínuo de gases marca Tempest, modelo 100. As concentrações medidas foram CO2, HC, NOX.

O motor utilizado no experimento tem emprego industrial e/ou automotivo. Na Tabela 1, estão reunidas suas principais características técnicas originais.

Tabela 1 - Características técnicas originais do motor de teste

O biodiesel utilizado durante os testes foi obtido através do processo de transesterificação etílica do óleo de fritura usado. O óleo usado foi adquirido gratuitamente em uma rede de fast food local. A Tabela 2 apresenta a composição das misturas utilizadas:

Tabela 2 - Relação de misturas utilizadas no experimento

As misturas foram preparadas por bateladas, utilizando-se a mesma remessa de óleo diesel e biodiesel visando manter uniformidade nos resultados dos ensaios. Na troca das misturas, aguardava-se 15 minutos para o início da tomada de valores, a fim de garantir que o restante da mistura anterior já havia sido consumida e/ou expelida pelo retorno do sistema de combustível do motor em teste.

Os três grupos geradores diesel iguais tem potência instalada total de 340kW (considerou-se o motor em questão operando em 1400rpm nos 3 geradores), sendo que a consumo mínimo requerida para a utilização da tarifa verde ou azul é de 300kw, utilizando três tipos de combustíveis: B0, B50 e B100. A empresa em questão utiliza uma média de 316,7 kwh no horário de ponta, sendo que, ao longo do ano, a energia gerada será de aproximadamente (média de consumo dos últimos 2 anos) é de 319 MWh, substituindo os mesmos 319 MWh advindos da energia da concessionária local.      

A partir de dados experimentais obtidos com o motor diesel analisado anteriormente, pode-se prever a quantidade total de cada uma das misturas para suprir a demanda do sistema de geração, sendo que para este trabalho foram utilizadas as misturas B0, ou seja, o diesel puro, B50 e B100, visando ao máximo às reduções de emissões causadas pelo diesel convencional. Valores de geradores foram obtidos com a empresa Stemac Ltda, para o cálculo de um empreendimento para uma empresa que ainda não possua a sua auto-suficiência energética no horário de ponta. Ainda, foi utilizada para o cálculo, a tarifação verde e os valores das respectivas tarifas no horário de ponta, segundos dados da concessionária fornecedora de energia local, AES SUL, e o valor do Diesel obtido pela Agência Nacional do Petróleo, ambas no mês de março de 2015.

Para a Análise Econômico-Financeira foram utilizadas as ferramentas econômicas TIR e o Payback, e, na análise dos resultados, utilizou-se um estudo elaborado pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro – COPPE/UFRJ, que indicou US$0,25 como custo médio de produção por litro de biodiesel, a partir do óleo de fritura usado. O baixo custo se deve ao fato de que o óleo de fritura geralmente é obtido gratuitamente de restaurantes, lanchonetes e de outros estabelecimentos. Castellanelli (2008), relata que estão disponíveis para uso 16.658 litros de óleo de fritura usado, isto somente em um bairro na cidade de Santa Maria - RS.

6. Resultados e Discussão

6.1 Motor

A comparação entre torque, potência e consumo específico do motor diesel utilizando diferentes misturas de diesel / biodiesel, assim como redução nas emissões na comparação diesel x biodiesel está demonstrado nas tabelas a seguir, seguindo os intervalos de rotação considerados.  A faixa de rotação a qual as misturas proporcionaram melhor torque e/ou potência está representado na tabela 6, conseqüentemente, a operação do motor com tal mistura deverá ser regida pela faixa de rotação de melhor rendimento.

Tabela 3 – Valores de potência para todas as misturas, após tratamento de dados

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Tabela 4 – Valores de torque para todas as misturas, após tratamento de dados

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Tabela 5 – Valores de consumo específico para todas as misturas, após tratamento de dados

A Tabela 6 apresenta os valores máximos de potência, torque e consumo especifico.

Tabela 6 - Valores máximos e mínimos obtidos durante os ensaios

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Tabela 7 - Valores de emissões em relação ao diesel convencional

6.2 Análise de viabilidade econômica

6.2.1 Investimentos

O investimento necessário para construção do sistema de geração para empresas que ainda não possuem este sistema de auto-suficiência energética é apresentado na tabela 8, sendo financiados pelo BNDES, a uma taxa de juros de 6% ao ano.

Tabela 8 - Quadro de investimentos

6.2.2 Custos Fixos e Variáveis

Os custos fixos compreendem os custos relativos a manutenção de um grupo gerador, sendo usualmente estimado em 1% do valor total do investimento ao ano. Neste caso, o valor desembolsado com a manutenção será aproximadamente R$ 12 mil por ano. Os custos variáveis são relativos aos gastos com mão-de-obra, operação da central (compra de combustíveis) e etc. Para o cálculo dos custos dos combustíveis analisados, são utilizados fornecidos pela Agência Nacional do Petróleo, Gás e Biocombustíveis – ANP (tabela 9).

Tabela 9 – Gasto anual com combustível

 *Considerando a eficiência do gerador igual a 92%.

6.2.3 Análise econômico-financeira

As receitas obtidas com este empreendimento será percebida a partir dos recursos que deixarão de ser gastos com a compra de eletricidade da concessionária distribuidora, na tarifa verde e no horário de ponta, cujo valor é R$ 1276,31/MWh, já incluindo impostos. O total anual de economia com a compra de eletricidade no horário de ponta é R$404.590,27, caso não funcionasse no horário de ponta. Para o supermercado estudado, o qual já opera na tarifação verde, e já possui a auto-geração instalada, pode-se verificar de imediato que a economia gerada anual é de R$ 40.543,44 para a geração com diesel convencional - B0, R$ 104.184,55 para a geração com 50% de biodiesel obtido através do óleo de fritura usado - B50, e R$ 132.291,31 para a geração com 100% de biodiesel obtido através do óleo de fritura usado - B100.

Os critérios de tomada de decisão para empresas que ainda não possuem a auto-geração no horário de ponta, baseados na análise de viabilidade econômica foram a Taxa Interna de Retorno (TIR) e o Payback descontado, calculadas a partir dos dados de fluxo de caixa apresentados na tabela 10.

Tabela 10 – Fluxo de caixa

A taxa interna de retorno de um projeto, também chamada de eficiência marginal do capital, é a taxa de desconto que iguala o valor das receitas futuras ao valor atual dos custos futuros do projeto (WOILER, 1996), ou seja, é a taxa média de crescimento de um investimento.

A TIR e o payback obtidas pelo investimento utilizando diferentes combustíveis são apresentadas na tabela 11.

Tabela 11 - TIR e Payback do investimento

Nos 3 casos em que a TIR foi calculado (B0, B50 e B100), o investimento em geração própria é viável, considerando que a Taxa Mínima de Atratividade - TMA é a TJLP (6,00% ao ano). Em uma análise complementar, mesmo em um tempo médio de retorno superior a 5 anos (B0), o empreendimento é viável pois o retorno futuro compensa as perdas de entrada.

7. Conclusão

A autoprodução vem crescendo por motivos de economia e segurança de fornecimento dos consumidores, que tem a possibilidade de gerar sua própria energia elétrica a partir do óleo Diesel. Razões ambientais relativas ao uso de combustíveis fósseis têm aumentado a demanda por novas tecnologias de geração de energia não poluentes. Além de seus impactos ambientais, observa-se a tendência de crise e escassez relacionada aos combustíveis fósseis não renováveis, e sua iminente elevação de preços viabiliza sua substituição por fontes renováveis de energia, como é o caso do biodiesel produzido a partir de plantas oleaginosas e gorduras animais, a ser utilizado em motores diesel.

Este trabalho demonstrou que a auto-suficiência de energia é economicamente viável no horário de ponta, não somente com o tradicional diesel fóssil, mas ainda mais, com a utilização das mistura B50 e B100, reduzindo, assim os impactos advindos do diesel convencional. É preciso considerar a sua utilização do biodiesel pela importante redução de poluentes que os motores deixarão de emitir à atmosfera e do óleo de fritura usado que não será descartado no meio ambiente. Em um segundo momento é preciso frisar que este estudo não considerou o retorno financeiro que pode ser utilizado com um projeto visando os créditos de carbono, desta maneira, a geração com o B50 e o B100 se tornariam mais atraentes economicamente ainda. Além disso, o óleo de fritura usado se mostra atrativo devido ao alto valor do barril de petróleo no mercado internacional.

Quanto ao aspecto técnico o motor estudado demonstrou características equivalentes de desempenho com as três misturas, sendo que o aumento de consumo relacionado ao uso do B100 compensa-se pelo valor da matéria-prima adquirida.

As empresas podem reduzir seu gasto em consumo energético, direcionando recursos antes aplicados em um elevado gasto de energia, em outras necessidades, se tornando mais competitiva no mercado e aderindo ao viés sócio-ambiental como estratégia competitiva que pode advir da geração de energia através de biocombustíveis.

Referências Bibliográficas

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1. Mestre em Engenharia de Produção (UFSM) Universidade Federal de Santa Maria - UFSM. Email: castellanelli@bol.com.br