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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL - PEI TITO BRITTO SANTOS ANÁLISE DAS EMISSÕES GASOSAS E DESEMPENHO DE GRUPO GERADOR OPERANDO COM COMBUSTÍVEIS DE MISTURA DIESEL E BIODIESEL Salvador 2014
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL - PEI
TITO BRITTO SANTOS
ANÁLISE DAS EMISSÕES GASOSAS E DESEMPENHO DE GRUPO GERADOR
OPERANDO COM COMBUSTÍVEIS DE MISTURA DIESEL E BIODIESEL
Salvador
2014
S237 Santos, Tito Brito.
Análise das emissões gasosas e desempenho de grupo
gerador operando com combustíveis de mistura diesel e
biodiesel / Tito Brito Santos. – Salvador, 2014.
132 f. : il. color.
Orientador: Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres.
Co-orientador: Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal da Bahia.
Escola Politécnica, 2014.
1. Biodiesel. 2. Diesel. 3. Desempenho. 4. Emissão. I.
Torres, Ednildo Andrade. II. Ferreira, Vitor Pinheiro. III.
Universidade Federal da Bahia. IV. Título.
CDD: 665.37
TITO BRITTO SANTOS
ANÁLISE DAS EMISSÕES GASOSAS E DESEMPENHO DE GRUPO GERADOR
OPERANDO COM COMBUSTÍVEIS DE MISTURA DIESEL E BIODIESEL
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em
Engenharia Industrial, da Universidade Federal da Bahia, como
requisito para obtenção do grau de Mestre.
Orientador: Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres
Co-orientador: Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira
Salvador
2014
Em primeiro lugar este trabalho é dedicado a Deus, pois Dele vem a minha
força e inspiração para seguir em frente. Dedico também a toda minha família, em
especial aos incríveis pais e ao meu irmão, razão de grande agradecimento. A incrível
esposa pelo apoio verdadeiro, devidos aos ensinamentos e crescimento juntos. E por
fim, porém não menos importante ao meu filho Davi, minha fonte de alegria e
motivação.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres pela oportunidade e conselhos compartilhados.
Ao Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira pelas informações valiosas compartilhadas e pelo
grande auxílio prestado.
Aos colegas e amigos, adquiridos durante a estadia no Programa de Engenharia
Industrial da UFBA, pela convivência e por todos os momentos compartilhados.
À CAPES pela concessão de bolsa, bem como o auxílio provido pelas instituições
CNPq e Fapesb para a realização de diversas pesquisas nos laboratórios da UFBA
utilizados neste estudo.
Aos integrantes dos seguintes grupos pertencentes a Universidade Federal da Bahia
– UFBA: Cienam - Centro Interdisciplinar de Energia e Ambiente; Laboratório de
Reações Químicas; LAPO - Laboratório de Propriedades Óticas; e Laboratório de
Energia e Gás. Como também a empresa A Geradora, no ramo de aluguel de
geradores e equipamentos, pela doação do grupo gerador utilizado nestes estudos à
UFBA. Agradecimentos à Petrobahia pela disponibilização dos combustíveis.
Por fim, à todos os professores da Universidade Federal da Bahia e do Programa de
Pós-graduação em Engenharia Industrial da UFBA que contribuíram para a formação
e disseminação do conhecimento.
“E ainda que tivesse o dom de profecia, e conhecesse todos os mistérios e toda a
ciência, e ainda que tivesse toda a fé, de maneira tal que transportasse os montes, e
não tivesse amor, nada seria”
(Paulo - 1 Coríntios 13:2)
SANTOS, Tito Britto. Análise de Emissão e Desempenho de Grupo Gerador
Operando com Combustíveis de Mistura Diesel-Biodiesel. 137f. 2014.
Dissertação (Mestrado), Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2014.
RESUMO
Este estudo investigou as emissões de poluentes e o desempenho de um grupo
gerador do ciclo diesel estacionário, com a utilização de diferentes proporções de
diesel e biodiesel. As misturas foram realizadas com diesel de baixo teor de enxofre e
com biodiesel, compondo as proporções de B5, B25, B50, B75 e B100. Para medição
de material particulado foi desenvolvido um sistema de coleta específico para este
estudo, o qual demonstrou ser uma alternativa funcional quando aplicado em motores
a diesel de médio/grande porte. Foram encontrados resultados e padrões diferentes
na baixa e na média carga simuladas no experimento. Para a emissão de material
particulado (MP), foi verificada uma redução gradativa, à medida que se utilizou
maiores proporções de biodiesel na mistura. Foi obtida uma redução de 34,12% na
emissão de MP quando utilizado B100, e de 25,79% com B50, quando comparados a
B5. Na emissão de CO houve acréscimo de aproximadamente 19%, 8%, 7% e 1%,
respectivamente nas misturas B100, B75, B50 e B25 quando comparados a B5. Com
relação à emissão de NOx foi identificado acréscimo de aproximadamente 16%, 15%,
7%, 4%, respectivamente com B100, B75, B50 e B25 quando comparados a B5. Os
resultados de desempenho foram estabelecidos pelas análises energéticas e
exergética. A tendência encontrada foi uma redução na eficiência energética, a
medida que houve um aumento na proporção volumétrica de biodiesel na mistura. Foi
observado um padrão similiar para os resultados de eficiência exergética. Neste
trabalho não foram identificadas restrições governamentais à emissão de gases
poluentes em motores de combustão interna que utilizem diesel, com base na
investigação das principais legislações nacionais vigentes.
Palavras-chave: Biodiesel, Grupo Gerador, Desempenho, Emissão, Material
Particulado
SANTOS, Tito Britto. Análise de Emissão e Desempenho de Grupo Gerador
Operando com Combustíveis de Mistura Diesel-Biodiesel. 137f. 2014. Dissertação
(Mestrado), Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2014.
ABSTRACT
This study is an investigation of the emission of pollutants and the performance
of a diesel generator with different proportions of diesel and biodiesel. The blends (B5,
B25, B50, B75 and B100) were prepared with diesel (low sulfur) and biodiesel. In order
to measure the particulate matter, a specific system was developed for this study,
which was proved to be a functional alternative when applied to medium and large
diesel engines. The results and different patterns were found at low and middle load.
For the emission of particulate matter (PM), a gradual reduction was found as a higher
proportion of biodiesel was used in the blend. When compared to B5, a reduction of
34.12% was achieved in the emission of PM when B100 was used and a reduction of
25.79% when B50 was used. In the CO emissions were found an increases of
approximately 19%, 8%, 7% and 1%, respectively with B100, B75, B50 and B25, when
compared to B5. In the NOx emissions were identified an increases of approximately
16%, 15%, 7%, 4%, respectively with B100, B75, B50 and B25, compared to B5. The
performance results were established from the energy and exergy analysis. It was
found a reduction in energy and exergy efficiency as a higher proportion of biodiesel
was used in the blend. In this study no government restrictions were identified on gas
emissions for internal combustion diesel engines, based on the investigation of major
national regulations.
Keywords: Biodiesel, Gen Set, Performance, Emissions, Particulate Matter.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA. .......................................................................................................15 FIGURA 2 - A) EQUAÇÃO GERAL PARA UMA REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO; B) EQUAÇÃO GERAL DA
TRANSESTERIFICAÇÃO DE UM TRIACILGLICERÍDEO. ...................................................................................25
FIGURA 3 - A EVOLUÇÃO DO BIODIESEL NO BRASIL. ..........................................................................................30
FIGURA 4 - METAS INICIAIS E SUAS ANTECIPAÇÕES. .........................................................................................31
FIGURA 5 – MATÉRIAS PRIMAS UTILIZADAS PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. .................................................32 FIGURA 6 – ESTIMATIVA DOS PREÇOS DOS ÓLEOS VEGETAIS UTILIZADOS PARA PRODUZIR BIODIESEL ATÉ 2020.
.................................................................................................................................................................35 FIGURA 7 - TAXAS MÉDIAS ANUAIS DE CRESCIMENTO DA CAPACIDADE DE ENERGIAS RENOVÁVEIS E PRODUÇÃO
DE BIOCOMBUSTÍVEIS (2007-2012). .........................................................................................................37
FIGURA 8 - PRODUÇÃO MUNDIAL DE ETANOL E BIODIESEL DE 2000 ATÉ 2012. .................................................38
FIGURA 9 - PRODUÇÃO ACUMULADA DE BIODIESEL NO BRASIL. .........................................................................39
FIGURA 10 - CAPACIDADE, DEMANDA E PRODUÇÃO ANUAL DE BIODIESEL BRASILEIRO. ....................................39
FIGURA 11 – DIAGRAMA DE PRESSÃO NO CILINDRO – MOTOR DIESEL 4 TEMPOS. .............................................40
FIGURA 12 - DIAGRAMA DO FLUXO TÉRMICO PARA UM MOTOR DIESEL. .............................................................41
FIGURA 13 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA CÂMARA DE COMBUSTÃO DURANTE A INJEÇÃO. ...................42 FIGURA 14 – CARACTERÍSTICAS DA COMBUSTÃO DO MOTOR DIESEL EM FUNÇÃO DO ÂNGULO DA ÁRVORE DE
MANIVELAS. ...............................................................................................................................................42
FIGURA 15 - MUDANÇAS NA EMISSÃO DE CO EM COMPARAÇÃO COM DIESEL. ..................................................47 FIGURA 16 – COMPARAÇÃO DO ESTUDO REALIZADO SOBRE A REDUÇÃO DE MATERIAL PARTICULADO COM O
APRESENTADO PELA EPA. ........................................................................................................................53
FIGURA 17 – RELAÇÃO ENTRE O VOLUME ESPECÍFICO E O NC. ........................................................................56 FIGURA 18 – VARIAÇÃO DO ATRASO DA IGNIÇÃO COM COMBUSTÍVEIS DE DIFERENTE NÚMERO DE CETANO: NC
1 = 52, NC 2 = 42 E NC 3= 29.................................................................................................................57
FIGURA 19 – INFLUÊNCIA DO NÚMERO DE CETANO NA EMISSÃO DE NOX. .........................................................58
FIGURA 20 – RELAÇÃO ENTRE MASSA ESPECÍFICA E O PCI. .............................................................................60 FIGURA 21 – TENDÊNCIA DA CAPACIDADE DE LUBRIFICAÇÃO EM FUNÇÃO DA COMPOSIÇÃO DE ENXOFRE NO
COMBUSTÍVEL. ..........................................................................................................................................64 FIGURA 22 - O EFEITO DO BIODIESEL COMO LUBRIFICANTE EM DIVERSAS MISTURAS DE BIODIESEL COM DIESEL
S10 E S20. ...............................................................................................................................................65
FIGURA 23 - EFEITO DO ACRÉSCIMO DO TEOR DE BIODIESEL E DE MONOGLICERÍDEO SATURADO NA MISTURA. 68 FIGURA 24 – BOCAL DE INJEÇÃO COM DEPÓSITO DE GOMA, COMPARAÇÃO DIESEL (DF) E BIODIESEL DE ÓLEO
DE PALMA (PB20). ....................................................................................................................................69
FIGURA 25 – ESTABILIDADE DE OXIDAÇÃO DO BIODIESEL NAS DIVERSAS CONDIÇÕES DE TESTE. .....................70
FIGURA 26 - EVOLUÇÃO DOS LIMITES DO PRONCOVE. ..................................................................................74
FIGURA 27 - LIMITE DE EMISSÕES GERADAS POR FONTES FIXAS. ......................................................................76 FIGURA 28 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA FORMAÇÃO DE MATERIAL DE PARTICULADO DURANTE E PÓS A
COMBUSTÃO. FONTE: ADAPTADO DE TWIGG & PHILLIPS (2009) ..............................................................77 FIGURA 29 - A CLASSIFICAÇÃO DO MP DE MOTORES DIESEL DE ACORDO COM O TAMANHO DAS PARTÍCULAS.
ADAPTADO DE TWIGG & PHILLIPS (2009) .................................................................................................78
FIGURA 30 - ESQUEMA MOTOR-GERADOR, COMPONENTES E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO. .............................80
FIGURA 31 – GRUPO GERADOR UTILIZADO NO ESTUDO. ...................................................................................81
FIGURA 32 - A) BANCO DE CARGA - TANQUE DE ÁGUA; B) SISTEMA DE CARGA – RESISTÊNCIAS PARA
AQUECIMENTO; C) SISTEMA DE BOMBEAMENTO PARA A RECIRCULAÇÃO. .................................................82
FIGURA 33 - RESISTÊNCIA 9 KW AÇO INOX TUBULAR BLINDADO. ......................................................................82
FIGURA 34 – ALICATE AMPERÍMETRO FLUKE 303. ............................................................................................83
FIGURA 35 - BALANÇA DIGITAL TOLEDO, MODELO 9094-I. ................................................................................84 FIGURA 36 – (A) TERMÔMETRO DIGITAL MASTECH MS6514; (B) TERMOPAR TIPO K DE SUPERFÍCIE; (C)
TERMOPAR TIPO K UNIVERSAL. .................................................................................................................84
FIGURA 37 – ANALISADOR DE EMISSÕES DE POLUENTES TEMPEST 50. ............................................................84
FIGURA 38 – ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE COLETA DE MATERIAL PARTICULADO. ................85
FIGURA 39 – SISTEMA DESENVOLVIDO PARA COLETA DE MATERIAL PARTICULADO. ..........................................86
FIGURA 40 – A) BALANÇA ANALÍTICA METTLER TOLEDO AL204; B) FILTROS UTILIZADOS NO EXPERIMENTO ....87
FIGURA 41 - AMOSTRA DAS MISTURAS UTILIZADAS NOS EXPERIMENTOS. .........................................................88
FIGURA 42 – CONSIDERAÇÃO DOS FLUXOS NO VOLUME DE CONTROLE DO SISTEMA. .......................................89
FIGURA 43 – CALORÍMETRO MODELO IKA C2000 BASIC..................................................................................92 FIGURA 44 - TEMPERATURA DOS GASES DE EXAUSTÃO DAS MISTURAS EM NAS DIFERENTES CONDIÇÕES DE
OPERAÇÃO. ...............................................................................................................................................98
FIGURA 45 - EMISSÕES DE NOX EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E ALTERAÇÃO DAS MISTURAS. . 100 FIGURA 46 - COMPARATIVO DAS EMISSÕES DE MATERIAL PARTICULADO COM AS MISTURAS B5, B50 E B100.
............................................................................................................................................................... 102
FIGURA 47 - EMISSÕES DE CO EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E ALTERAÇÃO DAS MISTURAS. ... 103 FIGURA 48 - RESULTADOS DE EMISSÕES DE CO2 (%) EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO (27KW;
18KW E 9KW) COM ALTERAÇÃO DAS MISTURAS. .................................................................................... 104 FIGURA 49 - RESULTADOS DE EMISSÕES DE O2 (%) EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO (27KW; 18KW
E 9KW) COM ALTERAÇÃO DAS MISTURAS. ............................................................................................... 105 FIGURA 50 - CONSUMO MÉDIO DE COMBUSTÍVEL EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E ALTERAÇÃO DAS
MISTURAS. .............................................................................................................................................. 107 FIGURA 51 - CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E
ALTERAÇÃO DAS MISTURAS. .................................................................................................................... 107
FIGURA 52 – ENERGIA FORNECIDA PELAS MISTURAS NAS DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO. .............. 109 FIGURA 53 – EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E ALTERAÇÃO DAS
MISTURAS. .............................................................................................................................................. 109
FIGURA 54 – DIAGRAMA DOS FLUXOS TÉRMICOS SEGUNDO ANÁLISE ENERGÉTICA PARA GERAÇÃO DE 9 KW. 112 FIGURA 55 – DIAGRAMA DOS FLUXOS TÉRMICOS SEGUNDO ANÁLISE ENERGÉTICA PARA GERAÇÃO DE 18 KW.
............................................................................................................................................................... 112 FIGURA 56 – DIAGRAMA DOS FLUXOS TÉRMICOS SEGUNDO ANÁLISE ENERGÉTICA PARA GERAÇÃO DE 27 KW.
............................................................................................................................................................... 112
FIGURA 57 – DIAGRAMA DE FLUXO SEGUNDO ANÁLISE EXERGÉTICA PARA POTÊNCIA DE REFERÊNCIA 9 KW. 114
FIGURA 58 – DIAGRAMA DE FLUXO SEGUNDO ANÁLISE EXERGÉTICA PARA POTÊNCIA DE REFERÊNCIA18 KW.
............................................................................................................................................................... 114 FIGURA 59 – DIAGRAMA DE FLUXO SEGUNDO ANÁLISE EXERGÉTICA PARA POTÊNCIA DE REFERÊNCIA 27 KW.
............................................................................................................................................................... 114
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – PARÂMETROS DE QUALIDADE DEFINIDOS PELAS PRINCIPAIS NORMAS. ...........................................24
TABELA 2 – PROPRIEDADES FÍSICO-QUIMICAS DE ALGUNS ÓLEOS VEGETAIS. ...................................................33
TABELA 3 – CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS VEGETAIS COM POTENCIAL PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL. ......34
TABELA 4 - PLANTAS PRODUTORAS DE BIODIESEL E SUAS CAPACIDADES REGISTRADAS EM MAIO DE 2014. ....38
TABELA 5 – CONSTANTES DO MECANISMO DESENVOLVIDO POR ZELDOVICH. ...................................................49
TABELA 6 - TABELA COM PROPRIEDADES DO DIESEL E BIODIESEL. ....................................................................55
TABELA 7 - PROPRIEDADES DO BIODIESEL. .......................................................................................................57
TABELA 8 – VÁRIOS MÉTODOS DE MELHORIA DO PONTO DE NÉVOA. .................................................................68
TABELA 9 - DESCRIÇÃO DO MOTOR MWM D225. .............................................................................................81
TABELA 10 – DURAÇÃO DOS PROCEDIMENTOS DOS TESTES DE EMISSÃO E DESEMPENHO. ..............................88
TABELA 11 - PODER CALORÍFICO INFERIOR DAS DIFERENTES MISTURAS. .........................................................92
TABELA 12 - COMPOSIÇÃO DO AR. ....................................................................................................................95
TABELA 13 - INSTRUMENTOS E SUAS RESPECTIVAS INCERTEZAS DE MEDIÇÃO. ................................................97
TABELA 14 - COMPARATIVO DOS DIFERENTES PARÂMETROS DE POLUENTES MEDIDOS................................... 106 TABELA 15 – COMPARAÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO DAS MISTURAS DIESEL/BIODIESEL E O AUMENTO EM
RELAÇÃO AO B5. ..................................................................................................................................... 108
TABELA 16 - RESULTADO DA ANÁLISE ENERGÉTICA DAS MISTURAS UTILIZADAS NO EXPERIMENTO. ................ 111
TABELA 17 - RESULTADO DA ANÁLISE EXERGÉTICA DAS MISTURAS UTILIZADAS NO EXPERIMENTO. ................ 113
LISTA DE ABREVIATURAS
Abiove Associação Brasileira de Indústria de Óleos Vegetais
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
Anfavea Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores
ANP Agência Nacional do Petróleo e Gás Natural
APTD Air Pollution Technical Data
ASTM American Society for Testing and Materials
B0 Diesel sem acréscimo de biodiesel
B2,B5... e demais variações A numeração representa a porcentagem de biodiesel no diesel mineral
B100 Combustível composto apenas de biodiesel
BEN Balanço Energético Nacional
C/H Relação Carbono/Hidrogênio
CEN Comité Européen de Normalisation
CIEnAm Centro Interdisciplinar de Energia e Ambiente
CIPM Comitê Internacional de Pesos e Medidas
CNPE Conselho Nacional de Politica Energética
CO Monóxido de carbono
CO2 Dióxido de carbono
CONAMA Conselho Nacional de Meio ambiente
COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
CxHy Hidrocarboneto genérico (metano)
DIN Deutsches Institut für Normung
DOU Diário Oficial da União
EGR Exhaust Gas Recirculation
EPA Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos
EPA Agência de Proteção ao Meio Ambiente – Estados Unidos
EU Europe Union
EUA Estados Unidos da América
FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations
FAPRI Food and Agricultural Policy Research Institute
H2SO4 Ácido sulfuroso
HC Hidrocarbonetos
HFRR High Frequency Reciprocating Rig
JB20... e demais variações Biodiesel de Pinhão Manso nas seguintes proporções de biodiesel no diesel mineral
KB20... e demais variações Biodiesel de Karanja nas seguintes proporções de biodiesel no diesel mineral
LEN Laboratório de Energia e Gás.
MCI Motor de Combustão Interna
MDA Ministério do Desenvolvimento Agrário
MME Ministério de Minas e Energias.
MP Material Particulado
N2 Nitrogênio
NC Número de Cetano
NL Agency Netherlands Enterprise Agency
NO Monóxido de Nitrogênio
NO2 Dióxido de Nitrogênio
NOx Óxidos de Nitrogênio
O2 Oxigênio
O3 Ozônio
OECD Organisation for Economic Co-operation and Development
OGR Óleo de Gordura Residual
OPEP Organização dos Países Exportadores de Petróleo
OVEG Programa Nacional de Alternativas Energéticas Renováveis de Origem Vegetal
PB20... e demais variações Biodiesel de Polanga nas seguintes proporções de biodiesel no diesel mineral
PC Poder Calorífico
PCI Poder Calorífico Inferior
PCS Poder Calorífico Superior
PFE Ponto Final de Ebulição
PI Privilégio de Invenção
PIE Ponto Inicial de Ebulição
PNPB Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel
Pro-Álcool Programa Nacional do Álcool
Probiodiesel Programa Brasileiro de Biocombustíveis
PROCONVE Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores
PRONAR Programa Nacional de Controle da Poluição do Ar
Pro-Óleo Plano de Produção de Óleos Vegetais para Fins Energéticos
PVR Pressão de Vapor Reid
S10 Referência do diesel com 10 partes por milhão de enxofre
SO2 Dióxido de Enxofre
STI/MIC Secretaria de Tecnologia Industrial do Ministério da Indústria e Comércio
UFBA Universidade Federal da Bahia
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro
WSD Diâmetro da Escara do Desgaste
Sumário
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 15
1.1 PROLEGÔMENOS ........................................................................................................... 15
1.2 JUSTIFICATIVA ................................................................................................................. 18
1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 19
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................................ 19
2 REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................................... 21
2.1 O BIODIESEL E SUA PRODUÇÃO ................................................................................ 21
2.1.1 Transesterificação ................................................................................................... 24
2.2 TRAJETÓRIA DO DIESEL/BIODIESEL ......................................................................... 26
2.2.1 O biodiesel no Brasil............................................................................................... 26
2.2.2 Considerações adicionais sobre o biodiesel .................................................... 31
2.2.3 Segunda geração do biodiesel e demais avanços .......................................... 35
2.3 PERFIL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL ..................................................................... 36
2.3.1 Perfil mundial ............................................................................................................ 36
2.3.2 Perfil brasileiro ......................................................................................................... 38
2.4 GRUPO GERADOR .......................................................................................................... 40
2.4.1 Propriedades do motor diesel ............................................................................. 40
2.4.2 A combustão ............................................................................................................. 41
2.4.3 Emissões do processo de combustão ............................................................... 44
2.4.4 Características, propriedades e influências do combustível........................ 54
2.5 LEGISLAÇÃO PARA FONTES ESTACIONÁRIAS DE ENERGIA ............................. 70
2.5.1 Normas brasileiras .................................................................................................. 71
2.5.2 Normas internacionais ........................................................................................... 75
2.6 FORMAÇÃO E MÉTODO DE COLETA DO MATERIAL PARTICULADO ................. 76
2.6.1 Processo de formação ........................................................................................... 76
2.6.2 Método de coleta...................................................................................................... 78
3 MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................................................... 80
3.1 APARATO EXPERIMENTAL ........................................................................................... 80
3.2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS....................................................................... 87
3.2.1 Preparação das misturas ....................................................................................... 87
3.2.2 Procedimentos gerais de operação .................................................................... 88
3.2.3 Procedimento de coleta e medição de material particulado ......................... 89
3.2.4 Análise energética ................................................................................................... 89
3.2.5 Análise exergética ................................................................................................... 92
3.2.6 Incertezas de medição ............................................................................................ 96
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................................. 98
4.1 TEMPERATURA DOS GASES DE EXAUSTÃO .......................................................... 98
4.2 EMISSÕES GASOSAS ..................................................................................................... 99
4.2.1 Emissões de NOx ................................................................................................... 100
4.2.2 Emissão de material particulado ....................................................................... 101
4.2.3 Emissões de CO ..................................................................................................... 102
4.2.4 Percentuais de CO2 ............................................................................................... 104
4.2.5 Percentuais de O2 .................................................................................................. 104
4.2.6 Comparativo das emissões ................................................................................. 105
4.3 DESEMPENHO PELA ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA .......................... 106
4.3.1 Consumo ................................................................................................................. 106
4.3.2 Comparativo do consumo específico ............................................................... 108
4.3.3 Energia dos combustíveis ................................................................................... 108
4.3.4 Eficiência energética............................................................................................. 109
4.3.5 Análise energética ................................................................................................. 111
4.3.6 Análise exergética ................................................................................................. 113
5 CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 115
6 PROPOSTA PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 117
REFERÊNCIAS ............................................................................................................................... 118
15
1 INTRODUÇÃO
1.1 PROLEGÔMENOS
Grande parte da energia consumida no mundo provém dos derivados de
petróleo, do carvão mineral, do gás natural, de fonte hídrica, dentre outras. Essas
fontes são limitadas com previsão de esgotamento no futuro, portanto, a busca por
fontes alternativas de energia é de grande importância. Particularmente, a energia
elétrica é uma das formas de energia utilizada pela sociedade e de fundamental
importância. No Brasil, segundos dados do Balanço Energético Nacional, em 2014,
cerca de 64,1% era de fonte hídrica, e 78,4% e de energia renovável, e o restante
composto de uma cesta de fontes adicionais como apresentado na Figura 1, onde a
biomassa tem papel de destaque com aproximadamente 6,6%, do total de energia
elétrica consumida.
Figura 1 - Matriz Elétrica Brasileira.
Fonte: BEN (2014).
O uso de grupos geradores no Brasil, especialmente, em regiões remotas, não
interligadas ao sistema elétrico de transmissão, é de grande importância, por se tratar
de lugares distantes, onde a energia elétrica é um bem fundamental. Neste caso o
que pode complicar a geração de energia é combustível a ser utilizado, pois
geralmente são derivados de petróleo, como o óleo diesel.
16
Como alternativa a essa escassez foi planejado um trabalho que pudesse
viabilizar a utilização dos grupos geradores atuais, apenas mudando o combustível,
ou seja, com possibilidade de utilização de biocombustíveis ou misturas, que no futuro
poderão ser manufaturados em lugares mais próximos ou até mesmo na própria
comunidade.
Segundo (BEN, 2014) foi consumida no Brasil, em 2013, cerca de 60.668.000
metros cúbicos de óleo diesel, com um incremento de 5,33% com relação ao ano de
2012 e com a ampliação desse mercado a economia de petróleo importado seria
expressiva, podendo inclusive minimizar o déficit de nossa balança de pagamentos.
Sendo que a maior parte é para utilização em veículos, caminhões, ônibus etc.
Os óleos vegetais aparecem como uma alternativa para substituição ao óleo
diesel em motores de ignição por compressão, sendo o seu uso testado, inicialmente,
há muito tempo pelo próprio Rudolf Diesel no final do século XIX. Essa possibilidade
de emprego de combustíveis de origem agrícola em motores do ciclo diesel é bastante
atrativa, tendo em vista o aspecto ambiental, a proximidade da produção, por ser
renovável, por permitir a redução da dependência de importação de petróleo e por
contribuir com a redução dos gases de efeito estufa.
Biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis como
óleos vegetais e gorduras animais que, estimulados por um catalisador, reagem
quimicamente com o álcool etílico ou o metanol. Desse processo químico resulta um
combustível de alta qualidade que substitui o óleo diesel fóssil sem necessidade de
modificação do motor.
A produção de biodiesel em 2013 foi de 2.917.000 m3 tendo um crescimento
de 7,4% com relação ao ano de 2012. O biodiesel já representa 0,84% na matriz
energética nacional (BEN, 2014).
Atualmente a mistura diesel biodiesel mudou, anteriormente era 5% mas a
partir de julho de 2014 passou para 6% e a previsão que passe para 7% em novembro
deste ano, com essa mudança o país deve deixar de importar cerca de 1,2 bilhão de
litros de diesel.
Em um país com uma grande dimensão territorial como o Brasil, os grupos
geradores de energia elétrica são equipamentos fundamentais para viabilizar a
disponibilidade de energia elétrica em regiões mais afastadas dos centros urbanos.
Existem também os casos da utilização de grupo geradores para suprir uma demanda
17
energética em situação de emergência. Outra aplicação comum dos geradores a
diesel é pelos produtores rurais e industriais, com a interligação de tais equipamentos
ao seu sistema principal, para redução de gastos excessivos com o custo da energia
elétrica, principalmente em horário de pico/ponta, horário este, que o consumo
nacional de energia elétrica é muito mais alto do que nos outros horários e que tem
tarifas muito altas.
Com intuito de reduzir as emissões de poluentes no meio ambiente, diversas
modificações, tanto no âmbito político como também tecnológico, foram realizadas e
ainda estão em constante evolução. No caso dos geradores a diesel, estas evoluções
estão sendo atribuídas tanto nas mudanças tecnológicas que ocorrem no motor a
diesel, como nos combustíveis principais utilizados para gerar energia elétrica, como
por exemplo, o biodiesel e suas possíveis misturas com diesel mineral e demais
combustíveis. O biodiesel agrega características positivas quando aplicados em
motores à combustão interna, como uma considerável redução da emissão de
poluentes (XUE; GRIFT; HANSEN, 2011; HOEKMAN & ROBBINS, 2012; LAPUERTA
et. al., 2008), aplicações essas que estão presentes tanto na frota terrestre de
caminhões, mas também em grupos geradores a diesel.
Ocorreram diversas modificações na regulamentação nos últimos anos que
influenciaram positivamente na qualidade dos combustíveis ofertados ao consumidor,
o que interferiu diretamente no processo de redução de emissões. As mudanças na
qualidade do biodiesel ocorreram principalmente devido a especificação desde
combustível no mercado, onde os valores devem estar de acordo com a resolução
brasileira ANP 14/2012 que possui como base referencial parte da ASTM D6751
(padrão dos EUA) e EU 14214 (padrão europeu). Alterações na regulamentação, em
diversos países, tem tornado obrigatória a adição de porcentagens, cada vez maiores,
de biodiesel juntamente com o diesel mineral comercializado nos postos de
abastecimento, o que faz do biodiesel um componente importante na matriz
energética de diversos países.
A operação de motores diesel com diesel-biodiesel já foi investigada em
diversos estudos passados, e continua gerando novas investigações devido a
diversos fatores, no contexto da relação motor e combustível, que possuem potencial
de influência na combustão e consequente impacto nas emissões de gases (ROY et
al., 2013; XUE, 2013; ENWEREMADU & RUTTO, 2010). Alguns estudos buscam
18
diagnosticar os problemas que interferem no desempenho dos motores diesel, e
outros nortearam a realização de modificações no sistema como um todo, de forma a
otimizar o desempenho do motor, como também favorecer a redução da emissão de
gases poluentes (KASSABY et al., 2013; LIAQUAT et al., 2013a; JAICHANDAR &
ANNAMALAI, 2013; KOC & ABDULLAH, 2013).
1.2 JUSTIFICATIVA
O biodiesel é um combustível líquido com utilização relativamente nova
comparado aos outros processados de origem mineral. Diversas investigações
continuam sendo realizadas para definir melhores condições de produção e utilização
deste produto.
O biocombustível quando utilizado em misturas ou puro pode agregar
resultados positivos com diferentes ganhos como, por exemplo, o ambiental,
econômico, tecnológico, social etc.
Muitos trabalhos desenvolvidos nessa área são realizados com objetivo de
encontrar valores que justifiquem a utilização do biocombustível frente a resultados
de emissões e rendimento em motores de combustão interna. A preocupação
ambiental está bastante atrelada às pesquisas com biodiesel, pois é um combustível
que foi desenvolvido com uma grande responsabilidade na redução da dos gases de
efeito estufa.
O trabalho aqui estudado se estende na realização de um estudo teórico e
experimental sobre o desempenho e emissões de poluente de um grupo gerador a
diesel operando com biodiesel e suas misturas com diferentes concentrações de
diesel, no qual será também verificado o atendimento às legislações ambientais
vigentes com os dados obtidos.
Portanto, a motivação especial deste trabalho é encontrar alternativas de
geração de energia elétrica decentralizada, para pequenas comunidades ou para
energia de reserva (backup energy) em empreendimentos em construção ou em
operação. Particularmente, com a adoção de um grupo gerador de médio porte
ofertado pela empresa A Geradora, que atua em todo território nacional na área de
geração de energia e locação de equipamentos, bem como a oportunidade real de
19
contribuir com o desenvolvimento regional no desenvolvimento de pesquisas
aplicadas em benefício da sociedade.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Avaliar e comparar o desempenho e as emissões de poluentes de um grupo
gerador alimentado com biodiesel e suas misturas com diferentes concentrações de
diesel.
1.3.2 Objetivos Específicos
1 Realizar um estudo sobre a influência das propriedades físico-químicas das
misturas de diesel e biodiesel, na combustão de motores diesel e na
emissão de poluentes;
2 Desenvolver metodologia e sistema para coleta e comparativo de material
particulado;
3 Efetuar testes experimentais de desempenho e emissões de poluente de
um grupo gerador a diesel operando com biodiesel e suas misturas com
diferentes concentrações de diesel;
4 Analisar a eficiência térmica e exergética do sistema;
5 Caracterizar as emissões de poluentes do gerador;
6 Verificar o atendimento às legislações ambientais vigentes frente a
emissões de poluentes de grupo geradores a diesel.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
No capítulo 1 foi realizada a introdução mostrando o contexto do problema, a
motivação e os consequentes objetivos deste estudo.
Dando prosseguimento foi elaborado o capítulo 2 que consta da revisão da
literatura, sendo abordados os aspectos históricos e atuais envolvendo biodiesel e sua
produção. Foram abordadas também rapidamente nesse mesmo capítulo as
20
perspectivas futuras para os avanços na produção do biodiesel. O maior esforço no
desenvolvimento do capítulo 2 se encontra no final, onde são apresentados os
principais fatores influentes no assunto de motores de combustão interna por
compressão, relacionados aos combustíveis diesel e biodiesel, sendo estendida a
atenção para as características, propriedades e emissões provenientes desse
processo de combustão. Foi abordado também um resumo da legislação que envolve
a produção de energia por meio de fontes estacionárias.
No capítulo 3 são apresentados de forma detalhada os materiais e métodos
utilizados nesta pesquisa. Descrevendo devidamente o aparado experimental e os
procedimentos metodológicos adotados. O capítulo 3 também aborda a análise das
incertezas apresentando os valores de incerteza de medição dos instrumentos. Os
valores coletados nas medições realizadas e consideradas dentro do estudo são
apresentados envolvidos com os resultados no capítulo 4.
Por fim, são apresentados os resultados e suas discussões necessárias no
capítulo 4, juntamente com a conclusão do trabalho e propostas para trabalhos futuros
com os potenciais encontrados para a extensão deste, sendo respectivamente os
capítulos 5 e 6. O último capítulo apresenta todas as referências utilizadas neste
estudo.
21
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 O BIODIESEL E SUA PRODUÇÃO
Foi em 1937 que o pesquisador Charles G. Chavanne registrou a primeira
patente para ésteres etílicos obtidos do óleo de palma por transesterificação em meio
ácido (patente belga 422.877), produto este que viria a ser chamado de biodiesel. Mas
a primeira patente do biodiesel, a nível mundial, só foi registrada, em 1980, com o
título "Processo de Produção de Combustíveis de Frutos ou Sementes Oleaginosas"
(patente com o número PI 8007957), em nome do cientista brasileiro Expedito Parente
(PARENTE, 2003). Este processo foi classificado como biodiesel pelas normas
internacionais, sendo um dos marcos para a definição do padrão de especificação e
qualidade. O termo biodiesel foi somente encontrado em uma publicação de 1988, em
um trabalho de um pesquisador chinês (KNOTHE, 2006). Desde então diversos testes
com este tipo de combustível têm demonstrado resultados satisfatórios,
principalmente pelos efeitos obtidos na promoção de uma menor viscosidade, muito
próxima ao diesel mineral. Mas também pelo alto número de cetano e as baixas
emissões de poluentes que possuem o biodiesel, fatores que estabelece este como
um importante combustível (FAZAL; HASEEB; MASJUKI, 2011).
O termo biodiesel possui diferentes definições. No Brasil uma das primeiras
definições documentadas na legislação pode ser encontrada na lei nº 11.097, de 13
de janeiro de 2005, esta dispõe sobre a introdução do biodiesel na matriz energética
brasileira:
Biodiesel é um biocombustível derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil.
Neste caso, o biodiesel possui um conceito generalizado, independe do método
de produção e da estrutura química do produto final, contanto que seja um
biocombustível e utilizado em motores de autoignição, é considerado biodiesel. Sendo
assim, essa definição abrange biodiesel como diversos outros combustíveis, por
exemplo: o óleo vegetal e a gordura animal in natura, devidamente tratados; misturas
binárias e ternárias com o diesel; e diversos combustíveis com propriedades similares
22
ao diesel mineral, mesmo que gerados por diferentes tecnologias, como exemplo
existem (SANTACESARIA et al., 2012; KNOTHE, 2006):
Pirólise de óleos vegetal e gordura animal, conhecido também como
craqueamento térmico;
Microemulsificação;
Transesterificação;
Hidrólise seguida do processo de esterificação.
Todos os biocombustíveis acima podem substituir parcialmente ou totalmente
os combustíveis de origem fóssil.
A definição sofreu atualizações conforme a necessidade no avanço das
resoluções regulamentadoras, neste caso, a resolução mais atualizada da ANP é a Nº
14, de 11.5.2012 - DOU 18.5.2012. Para efeitos desta resolução, define-se no artigo
2°:
Biodiesel: combustível composto de alquil ésteres de ácidos carboxílicos de cadeia longa, produzido a partir da transesterificação e ou/esterificação de matérias graxas, de gorduras de origem vegetal ou animal, e que atenda a especificação contida no Regulamento Técnico nº 4/2012, parte integrante desta Resolução.
Esta definição do termo biodiesel apresentada se enquadra com maior
similaridade aos moldes internacionais, possuindo assim, um caráter muito mais
específico e esclarecedor (GOMES, 2009).
Nos Estados Unidos, a definição do termo biodiesel pode ser encontrada na
norma ASTM D6751, como sendo monoalquil ésteres de ácidos graxos de cadeia
longa provenientes de óleo vegetal ou gordura animal, devendo cumprir os requisitos
de qualidade da norma ASTM D6751. Na União Europeia essa definição pode ser
encontrada na Diretiva 2009/28/CE do Parlamento Europeu e do Conselho da União
Europeia, em 8 de maio de 2003, o biodiesel como sendo éster metílico produzido a
partir de óleos vegetais ou animais, com qualidade de combustível para motores
diesel, para utilização como biocombustível. Este documento se refere à promoção da
utilização de energia proveniente de fontes renováveis que altera e
subsequentemente revoga as Diretivas 2001/77/CE e 2003/30/CE (DIRETIVA
2009/28/CE).
23
É possível perceber, em geral, que os biocombustíveis somente serão
enquadrados como biodiesel, caso sigam a definição e estejam conforme padrões de
qualidade, no qual estabelece faixas aceitáveis de aspectos físicos e químicos.
O primeiro país a definir e aprovar padrões de qualidade para biodiesel, com
ésteres metílicos de colza, foi a Áustria. Posteriormente, outros países foram definindo
padrões de qualidade específicos as suas perspectivas. Atualmente os mais
conhecidos e considerados como base para os demais são o padrão de qualidade
americano, elaborado pela ASTM (American Society of Testing and Materials), com a
norma ASTM D6751, e o estabelecido na União Europeia através da norma EN 14214
do Comitê Europeu de Normalização (Comité Européen de Normalisation - CEN)
(LÔBO et al., 2009).
No caso do Brasil, as especificações e características do biodiesel, devem ser
estabelecidas pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
(ANP), conforme lei nº 11.097; atualmente isto é realizado através da Resolução Nº
14, de 11.5.2012 - DOU 18.5.2012. Para a criação desses padrões de qualidade, a
ANP utilizou como base as normas ASTM D6751 e EN 14214 (LÔBO et al., 2009).
Alguns desses parâmetros das principais normas (ASTM D6751 – 2013; DIN
EN 14214 - 2012 e Resolução brasileira nº 14/12 de 11.05.2012 da ANP), nas suas
versões mais atuais, são mostrados na Tabela 1.
24
Tabela 1 – Parâmetros de qualidade definidos pelas principais normas.
Propriedade Unidade ASTM D6751 - 12
(EUA)
EN 14214:2012
(Europa)
ANP Nº 14/2012
(Brasil)
Ponto de fulgor ° C 130 101 100
Teor de água mg/kg - 500 350
Água e sedimentos % volume 0,050 - -
Viscosidades cinemática a
40 °C
mm²/s 1,9 - 6,0 3,5 - 5,5 3,0 - 6,0
Cinzas sulfatadas, máx. % massa 0,02 0,02 0,02
Enxofre total, máx. mg/kg 15 10 10
Corrosividade ao cobre, 3h a
50 ºC, máx
- 3 1 1
Números de Cetano, mín. - 47 51 Anotar
Resíduo de carbono, máx. % massa 0,05 0,30 0,05
Índice de acidez, máx. mg KOH/g 0,50 0,50 0,50
Glicerol livre, máx. % massa 0,02 0,02 0,02
Glicerol total, máx. % massa 0,24 0,25 0,25
Massa específica a 20 °C kg/m³ 850-900 860 - 900 850 - 900
Fósforo, máx. mg/kg 0,001 4 10
Metano ou etanol, máx. % massa - 0,20 0,20
Cálcio + Magnésio, máx. mg/kg 5 - 5
Monoglicerídeos, máx. % massa - 0,70 0,80
Diglicerídeos, máx. % massa - 0,20 0,20
Triglicerídeos, máx. % massa - 0,20 0,20
Metanol e/ou Etanol, máx. % massa 0,20 0,20 0,20
Índice de Iodo 1g/100g - 120 Anotar
Fonte: Adaptado de EN 14214:2012, ASTM D 6751 - 13 e resolução ANP nº 14/2012
2.1.1 Transesterificação
Existem diversos métodos disponíveis para produção de biodiesel, mas dentre
todos a transesterificação é o método mais usual (DEMIRBAS, 2008). A
transesterificação se tornou um método bastante interessante para a produção de
biodiesel, pois foi possível produzir um biocombustível com qualidade aceitável dentro
de processos industriais. Estudos têm evoluído bastante, desde a década de 1980, na
identificação das variáveis que afetam o processo da transesterificação (FREEDMAN
et al.,1984).
25
O processo de transesterificação é reversível e basicamente ocorre com
reações orgânicas sequenciais, nas quais o éster é transformado em outro éster
(DEMIRBAS, 2008). O óleo vegetal e a gordura animal são formados em grande parte
de triglicerídeos (TAG -triacilgliceróis), ou seja, ésteres neutros de glicerol (três grupos
da função orgânica éster) e ácidos graxos de cadeia longa (AG), tal estrutura pode ser
visto na Figura 2. Para produzir o biodiesel, o triglicerídeo (provenientes de óleos
vegetais e gorduras animais) é submetido a uma reação com um álcool, normalmente
esta reação ocorre na presença de um catalisador para acelerar a conversão,
podendo também contribuir para aumentar o rendimento total do processo (MEHER
et al., 1999 apud GERIS et al., 2007). O resultado dessa reação são ésteres de alquila
(biodiesel) e glicerol (comercialmente conhecido como glicerina) um subproduto
importante para a indústria farmacêutica e indústrias químicas em geral.
Figura 2 - a) Equação geral para uma reação de transesterificação; b) equação geral da
transesterificação de um triacilglicerídeo. Fonte: GERIS et al. (2007).
Para a produção de biodiesel por transesterificação, na reação com o
triglicerídeo, diversos álcoois de baixa massa molecular são utilizados, como, por
exemplo, etanol, metanol, propanol e butanol, sendo encontrados neste processo
resultados positivos e promissores (DEMIRBAS, 2005). O metanol e etanol são os
mais utilizados principalmente o metanol pelo fato de possuir baixo custo e também
vantagens físicas e químicas, pois a polaridade e a cadeia curta permite a este uma
rápida reação com os triglicerídeos (MA & HANNA, 1999). No caso do Brasil, o etanol
pode se torna uma opção interessante, pois é um álcool com ampla distribuição no
território brasileiro, um fator logístico importante dentro das considerações
econômicas.
26
2.2 TRAJETÓRIA DO DIESEL/BIODIESEL
A crise mundial no petróleo gerou em todos os países uma grande preocupação
com suas próprias matrizes energéticas. Em virtude do súbito aumento de preço do
petróleo, especialmente entre 1973 e 1979, forcou a uma redução na utilização de
combustíveis fósseis, iniciando assim, uma intensa busca por novas fontes de energia
ou viabilização das recém-conhecidas.
2.2.1 O biodiesel no Brasil
No Brasil, os estudos com biocombustíveis foram realizados inicialmente na
década de 1920, pelo Instituto Nacional de Tecnologia. Na década de 1960,
investimentos com escala industrial começaram a serem realizados, entre estes está
o de produção de éster etílico pela lavagem dos grãos de café com álcool, mas sem
sucesso. Com a intensificação na busca de fontes alternativas de energia, na década
de 1970, o óleo vegetal se tornou um importante assunto de estudo, no qual permitiu
ao Eng. Expedito José de Sá Parente, vinculado à Universidade Federal do Ceará, a
descoberta, e posterior patente mundial, do primeiro Processo de Produção de
Combustíveis a partir de Frutos ou Sementes Oleaginosas em escala industrial, sendo
o biodiesel como resultado deste processo. A patente foi submetida ao Instituto
Nacional de Prioridade Industrial (INPI) em 1980, sendo garantida em 1983 pelo
registro PI – 8007957. Fatores como esta patente, as perspectivas no aumento do
preço do petróleo devido às crises, entre outros interessantes resultados de estudo,
foram grandes responsáveis em estimular a criação de diversos programas no âmbito
nacional (ALVEZ FILHO, 2003).
Apresentando os dados experimentais de 1983, Torres (2000) fez uma análise
sobre a implantação da cultura do dendezeiro, Elaeis Guineensis, no Brasil, com
particularidade para o Estado da Bahia, mostrando o atual estágio da tecnologia de
beneficamento, os diversos tipos de indústrias existentes, a possibilidade de obtenção
do biocombustível, bem como uma avaliação técnica de um motor de combustão
interna, ciclo diesel, operando com óleo de dendê na forma in natura como
combustível. Ele analisou também as tendências envolvendo a potência desenvolvida
27
e o consumo específico para o motor operando com 50, 75 e 100% da carga nominal
em função da rotação.
Em 1975, um dos programas criados foi o Programa Nacional do Álcool (Pro-
Álcool), em 14 de Novembro pelo decreto n° 76.593, possuindo como objetivo o
incentivo na produção do álcool, visando ao atendimento das necessidades do
mercado interno e externo e da política de combustíveis automotivos, buscando assim
reduzir inicialmente o consumo parcial da gasolina e até total nas fases mais
avançadas do programa.
Foi iniciado também em 1975 o Plano de Produção de Óleos Vegetais para
Fins Energéticos (Pro-Óleo) que evoluiu, em 1980, para o Programa Nacional de
Óleos Vegetais para Fins Energéticos com o objetivo de gerar misturas com a
substituição parcial de até 30% do volume do óleo diesel por óleo vegetal, com a
perspectiva de, em longo prazo, realizar a substituição total do óleo diesel pelo óleo
vegetal. Diversas oleaginosas foram testadas para obtenção de óleo vegetal em
escala e também para produção de biodiesel, a soja foi uma das que despertou
inicialmente a atenção, matéria prima selecionada por sua maior disponibilidade, mas
a partir de 1981, foram testados também o amendoim, a colza, o girassol e o dendê,
entre outros. A meta geral era aumentar drasticamente a produção total de óleos para
fins energéticos, mas neste caso a viabilidade econômica estava em jogo, pelas
possíveis variações dos preços dos óleos combustíveis internacionais como também
as incertezas frente ao valor do barril de petróleo (BIODIESELBR, 2012).
Outro programa importante criado no início dos anos 1980 foi o Programa
OVEG (Programa Nacional de Alternativas Energéticas Renováveis de Origem
Vegetal), instituído pela Secretaria de Tecnologia Industrial do Ministério da Indústria
e Comércio (STI/MIC). Esta importância se deve a que este programa possuía o
objetivo de pesquisar e comprovar tecnicamente a viabilidade do uso dos óleos
vegetais em motores ciclo diesel, existindo assim uma participação integrada de
institutos de pesquisa e universidades, órgãos técnicos do governo federal,
fabricantes de motores, fabricantes de óleos vegetais e empresas de transportes
(BIODIESELBR, 2012). Foi um grande responsável pela evolução tecnológica e
divulgação do assunto na época.
A partir de 1985, a viabilidade econômica envolvendo a produção de óleo
vegetal foi efetivamente prejudicada com os baixos valores do petróleo, pela
28
estabilização dos preços do petróleo (“contrachoque do petróleo”), influenciando
diretamente os programas em curso. A entrada do Pro-Álcool e aumento nos custos
da produção e esmagamento das oleaginosas foram fatores também determinantes
para a desaceleração dos programas (MELO & MAGALHÃES, 2007).
O tema vinculado a biocombustíveis retornou à discussão por volta do final da
década de 1990, pela reestruturação da matriz energética brasileira, e
consequentemente a criação de novos marcos regulatórios e as agências reguladoras
para tais fiscalizações; todas estas mudanças ocorreram também devido ao processo
de privatização do sistema energético estatal desenvolvido nas décadas anteriores
(VEIGA, 2007). Os biocombustíveis se tornaram ainda mais uma realidade, após
1991, ano que ocorreu a Guerra do Golfo, nesta o preço do petróleo foi alterado
drasticamente, gerando novamente preocupações em torno do setor energético.
Através da resolução 180, de 1998, a Agência Nacional do Petróleo (ANP)
autorizou a realização de testes e comercialização de combustíveis não especificados,
permitindo que instituições realizassem testes para uso do biodiesel em motores de
combustão. Os primeiros testes ocorreram na UFRJ com óleo vegetal residual
proveniente de frituras para obter o biodiesel, o qual foi misturado ao óleo diesel
normal a uma proporção de 5%. Os resultados destas pesquisas permitiram à
UFRJ/COPPE realizar um seminário, “Potencial do Biodiesel no Brasil”, em 2001, para
demonstração e discussão, junto aos agentes do governo e comunidade privada, da
viabilidade econômica prevista no biodiesel. A conclusão deste seminário foi pela
necessidade da criação de uma política nacional com o objetivo de substituir o óleo
diesel derivado do petróleo pelo biodiesel advindo de produtos vegetais e da
biomassa, devendo tal substituição ocorrer de forma gradual (VEIGA, 2007).
Com diversos estudos sendo desenvolvidos após o novo marco regulatório
energético brasileiro e resultados positivos de testes práticos, o governo federal criou,
em 2002, o Programa Brasileiro de Biocombustíveis (Probiodiesel), com intermédio
do Ministério das Ciências e Tecnologia (JÚDICE, 2003). Um programa criado com
objetivo de redução da dependência do petróleo; expansão do mercado das
oleaginosas; impulsão na demanda por combustíveis alternativos; e redução na
emissão de gases poluentes, visando atender às regras do Protocolo de Kioto, do qual
o Brasil é signatário (MATTEI, 2008).
29
Com a mudança de governo presidencial, o Probiodiesel recebeu
reformulações, com a modificação do nome, em 2004, para Programa Nacional de
Produção e Uso do Biodiesel (PNPB). Reformulações que buscaram um caráter mais
social ao programa, ampliando a capacidade de geração de emprego e de renda,
incorporando fatores sociais nas regras gerais do programa de produção (MATTEI,
2008). Para uma maior consolidação e desenvolvimento do programa, o PNPB foi
elaborado através de parcerias com associações empresariais, como por exemplo, a
Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (Anfavea) e a
Associação Brasileira de Indústria de Óleos Vegetais (Abiove) (ABREU, 2006).
Apesar das razões sociais e ambientais por trás do programa, o mesmo
precisou receber incentivos fiscais desde cedo para promover, desde a etapa de
produção, uma maior chance de sucesso e aumento na viabilidade econômica. Assim,
a produção de biodiesel nasceu muito dependente do Poder Executivo, pois foram
criadas medidas para autorizar o Poder Executivo a reduzir alíquotas em razão da
matéria prima utilizada na produção do biodiesel, gerando perspectivas econômicas
promissoras para investidores (HOLANDA, 2005).
A trajetória do biodiesel pode ser vista de forma ilustrada na Figura 3, que
também demonstra o período em que ocorreram os três choques do petróleo. Estes
acontecimentos têm referência direta com a valorização e busca de alternativas
energéticas no âmbito mundial, como também nacional.
30
Figura 3 - A evolução do biodiesel no Brasil.
Fonte: Adaptado de ANP (2012).
No dia 13 de Janeiro de 2005 foi publicada a Lei 11.097, estabelecendo a
obrigatoriedade de um percentual mínimo de biodiesel no diesel fóssil comercializado
no país. Desta forma, a adequação ao PNBP tornou-se obrigatória para produtores,
distribuidoras e montadoras. Até o ano de 2007, seria voluntária a utilização da mistura
biodiesel-diesel, tornando-se realmente compulsória, segundo a referida lei, apenas a
partir do dia 01 de Janeiro de 2008, com o percentual de 2% de biodiesel, no mínimo,
a ser inserido no diesel (B2). Com o bom funcionamento do programa, resultado do
crescimento da produção e demanda, o governo decidiu antecipar a elevação do
percentual mínimo para 3% de biodiesel na mistura (B3) logo em julho de 2008,
através da Resolução CNPE n° 2 de 13/03/2008. Tal mudança gerou um aumento de
188,7% na produção de biodiesel (B100) no mercado nacional, segundo o Balanço
Energético Nacional de 2009. Em julho de 2009, foi estabelecida a adição obrigatória
de 4% de biodiesel no diesel, através da Resolução CNPE nº 2 de 27/04/2009. Já a
31
obrigatoriedade do B5 se deu em janeiro de 2010, através da Resolução CNPE nº 6
de 16/09/2009, antecipando em três anos a meta inicialmente prevista pelo governo,
que se daria em 2013. A perspectiva de um novo percentual foi determinada por uma
medida provisória estruturada em duas fases, uma ampliação de B5 para B6
determinado para o início de Julho de 2014 e posteriormente para B7 com o prazo
determinado no início de novembro de 2014 (CASACIVIL, 2014). A Figura 4, as metas
do início do programa, com a perspectiva descrita até 2013, e as suas subsequentes
antecipações, sendo importante pontuar que a obrigatoriedade legal somente ocorreu
a partir de 2008.
Figura 4 - Metas iniciais e suas antecipações.
Fonte: Adaptado de Fetranspor (2011).
2.2.2 Considerações adicionais sobre o biodiesel
Desde a criação do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel
(PNPB) o governo estimulou a produção de biodiesel a partir da mamona e do pinhão
manso, na tentativa de solucionar o problema de renda dos produtores do nordeste,
sendo a mamona escolhida como um dos símbolos do PNPB por ser a cultura que
mais resiste ao estresse hídrico e falta de chuva regular. Com o passar dos anos fica
evidente que houve uma precipitação por parte dos órgãos governamentais brasileiros
em lançar o programa sem antes realizar os estudos que apontasse a viabilidade das
novas cadeias produtivas da proposta e análises de sustentabilidade e impactos
sociais, pois registra-se, após anos, objetivos parcialmente alcançados e outros muito
longe de serem cumpridos (PADULA et al., 2012; RATHMANN et al., 2012). Uma das
32
metas sociais do PNPB é estimular o plantio de novas culturas, como mamona, pinhão
manso e dendê, impulsionando também a agricultura familiar nas regiões carentes do
país (MDA, 2010), mas falta ainda a viabilidade por parte desse plantio para incentivar
uma maior participação e gerar ganhos reais aos agricultores familiares.
A soja é a matéria prima responsável pela maior fatia de produção de biodiesel
no Brasil (correspondente a 70,9% da produção total, média de janeiro a abril), o sebo
animal aparece como segunda mais utilizada (20,1%) e algodão como terceira (3,3%);
maiores detalhes podem ser vistos na Figura 5.
Figura 5 – Matérias primas utilizadas para a produção de biodiesel.
Fonte: Brasil (2013).
Estudos têm demonstrado que o óleo de mamona pode ser usado como
matéria prima para a indústria de biodiesel, mas, devido à sua alta viscosidade (ver
Tabela 2), e altos níveis de ácido ricinoleico, possui o limite máximo de utilização de
10% quando misturado em diesel de petróleo (BERMAN et al., 2011) ou limite de até
30% na mistura com biodiesel de soja (DANTAS, 2010). Alternativas com limites de
porcentagem menores não são viáveis devido às exigências da ASTM D7467-13,
ASTM D6751-12 e ANP 14/2012, visto que o biodiesel em mistura e puro devem
cumprir todos os limites de especificação estabelecidos. Devido a essas condições o
processo produtivo de biodiesel quando se utiliza óleo de mamona possui uma
configuração e cuidados específicos de modo a evitar perda de especificação do
produto (VIEIRA et al., 2006).
33
Tabela 2 – Propriedades físico-quimicas de alguns óleos vegetais.
Óleos Vegetais Viscosidade Cinemática 40
°C (mm2.s-1) Densidade (g.cm-3)
Acidez (mgKOH.g-1)
Pinhão manso 24,5 0,89 17,3
Dendê 36,8 0,9118 4,9
Soja 36,8 0,92 0,2
Mamona 28,5 0,9578 9,5 Fonte: Dantas (2010).
De forma similar o trabalho elaborado pela Copernicus Institute em parceria
com outras organizações e publicado pela NL Agency (NL AGENCY, 2010) buscou
reunir e apresentar os fatos relevantes sobre o pinhão manso (Jatropha); neste
trabalho foram apresentados aspectos sociais, ecológicos, econômicos, técnicos e
fatores ligados à agronomia especificamente. Apesar do pinhão manso ter sido
considerado uma das grandes promessas para a produção de biodiesel (GEXSI,
2008), devido à alta capacidade de sobrevivência dessa planta em locais de solo
pobre e seco, após grandes investimentos, foi descoberto que, apesar desses pontos
positivos supracitados, a obtenção de uma colheita produtiva para geração de
biodiesel só é possível com irrigação similar a outras culturas e disposição de
nutrientes no solo (NL AGENCY, 2010).
Isto significa que os campos de pinhão manso deverão competir para o mesmo
terreno fértil de culturas alimentares, um dos principais desafios atuais da produção
tradicional de biodiesel. Outros obstáculos também são realidades para a produção
de óleo do pinhão manso: a coleta deve ser seletiva, separando os mais maduros dos
mais verdes, pois essa mistura influencia negativamente para uma umidade final
elevada; o tratamento pós-colheita, o despolpamento, a secagem das sementes, são
também importantes e decisivos para a qualidade final do óleo e, por consequência,
do biodiesel (RURALBR, 2012).
Outro fator a ser considerado, de grande influência na viabilidade de projetos
destinados a biodiesel, é o rendimento de óleo por área de plantio que cada espécie
de oleaginosa pode produzir, e também os intervalos necessários entre colheitas
como por ser visto na Tabela 3.
34
Tabela 3 – Características de alguns vegetais com potencial para a produção
de biodiesel.
Matéria prima Porcentagem de
óleo Meses de colheita
Rendimento em óleo (t/ha)
Dendê 26 12 3,0 - 6,0 Babaçu 66 12 0,4 - 0,8 Girassol 38 - 48 3 0,5 - 1,5
Colza 40 - 48 3 0,5 - 0,9 Mamona 43 - 45 3 0,5 - 1,0
Amendoim 40 - 50 3 0,6 - 0,8 Soja 17 3 0,2 - 0,6
Fonte: Abreu (2012) apud Nae (2005).
A resolução de alguns dessas dificuldades tem sido realizada continuamente
com o melhoramento genético e otimização no gerenciamento produtivo
(JONGSCHAAP, 2007; RURALBR, 2012), ações estas que tem melhorado a condição
de plantio de uma maior diversidade de oleaginosas destinadas ao biodiesel, mas não
resolvem todos os desafios atuais provindos dessas matérias primas.
Uma solução constantemente em pesquisa é a utilização de óleo de gordura
residual (OGR), pois parte de um princípio de reutilização da matéria. Existem alguns
resultados positivos para produção e utilização desta matéria prima, como é o caso
dos publicados por Alves et al. (2012), na dissertação de Cuello (2013) e artigo de
Ferreira, Torres e Silva (2012). Mas também, como apresentam os autores, o óleo
residual para produção de biodiesel envolve alguns resultados negativos para sua
caracterização e desafios na sua logística de coleta e distribuição.
O biodiesel tradicional, conhecido como de primeira geração, compete
diretamente com o mercado alimentício e químico, pois grande parte dos óleos que
estão sendo utilizados são comestíveis e destinados a diversas outras aplicações.
Dentro dessa competição, está o alto valor de mercado desses óleos e a sua contínua
expectativa de aumento (ver Figura 6). Tem ocorrido que produtores preferem vender
suas produções às empresas que pagam mais, neste caso são as indústrias
alimentícias e químicas, responsáveis pela produção de óleos alimentícios,
lubrificantes, cosméticos e farmacêuticos. No fim, a diversidade de matéria prima
incentivada pelo PNPB possui diversas vulnerabilidades, o que nestes casos tem
tornado culturas agrícolas inviáveis para diversos produtores agrícolas familiar.
35
(US$
/to
n)
Figura 6 – Estimativa dos preços dos óleos vegetais utilizados para produzir biodiesel até
2020. Fonte: FAPRI-ISU (2011) e OECD-FAO (2011).
2.2.3 Segunda geração do biodiesel e demais avanços
Desde a sua descoberta fundamental o biodiesel tem passado por novas
descobertas, com foco em cumprir seu objetivo inicial como combustível ambiental e
melhorar sua posição sustentável frente às demais fontes energéticas. Estes avanços
podem ser divididos como de primeira e segunda geração, no qual a primeira
compreende a produção básica do combustível a partir de matéria prima de óleos
vegetais e animais. Devido ao fato desses óleos, em sua maioria, serem provindos de
culturas agrícolas destinadas à produção de alimentos, foi assim necessário
desenvolver uma nova geração de biocombustíveis que buscassem alternativas mais
sustentáveis sem impactos diretos no mercado alimentício. A segunda geração foi
então criada, além da utilização de novas matérias primas, mas com a evolução dos
processos produtivos e tecnológicos (IEA, 2010).
Para a segunda geração, a busca por fontes de matérias primas viáveis para
produção de biodiesel incluem principalmente óleos não comestíveis, como Jatropha
curcas (conhecido como pinhão manso) (FINDLATER & KANDLIKAR, 2011;
SIDDHARTH & SHARMA, 2010) e Calophyllum inophyllum (árvore conhecido como
tamanu) (ONG et al., 2011), plantas geneticamente modificadas, como
choupo ou álamo (árvore do gênero populus) e Panicum virgatum (um tipo de grama
conhecido como switchgrass), também as microalgas (ZHANG et al., 2013; AHMAD
et al., 2011; TAKESHITA, 2011), entre diversas outras alternativas também
promissoras (ATABANI et al., 2012; IEA, 2010).
A cadeia de produção tanto laboratorial e industrial é bem analisada no artigo
“Cadeia do biodiesel da bancada à indústria: uma visão geral com prospecção de
36
tarefas e oportunidades para P&D&I” elaborado por Quintella et al. (2009); neste é
apresentado diversos métodos de produção e suas subsequentes evoluções dentro
das gerações do biodiesel.
2.3 PERFIL DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL
2.3.1 Perfil mundial
As energias renováveis representam atualmente uma parcela significativa na
matriz energética de diversos países, têm tido um papel importante nas discussões
da sociedade ao redor do mundo. Devido aos avanços tecnológicos, os preços dos
equipamentos e componentes envolvidos para geração de energia renovável
continuam a cair, transformando tais fontes em sistemas mais competitivos e cada vez
mais populares. Mas apesar de todo o avanço essas são fontes que carecem de
ambiente político robusto de apoio para viabilização de condições de concorrência
equitativas (REN, 2013).
O investimento global em energia renovável recuou em 2012, de forma geral,
mas é possível identificar uma expansão deste investimento especificamente em
diversos países em desenvolvimento. É identificado que o investimento global reduziu
devido às incertezas econômicas e políticas relacionadas em alguns mercados
tradicionais, como também a crise financeira global recentemente vivenciada no
período de 2008/2009 e que ainda gera impactos em alguns mercados (REN, 2013).
Em 2012, os dados de investimento mundial apresentam um crescimento anual
acentuado na capacidade e produção da maioria das fontes renováveis, existindo o
caso especial da energia concentrada que avançou em 2012 acima da média histórica
(2007 até 2012). O biodiesel apresentou acréscimo de 0,4% no ano de 2012,
possuindo um avanço historiado de 17% nos últimos cinco anos (ver Figura 7).
37
Figura 7 - Taxas médias anuais de crescimento da capacidade de energias renováveis e
produção de biocombustíveis (2007-2012). Fonte: REN (2013).
Os biocombustíveis no cenário global obtiveram um tímido crescimento, no
caso do etanol ocorreu uma redução na produção global no ano de 2012, grande parte
devido ao elevado preço do açúcar do mundo, o que direcionou a produção de cana
de açúcar para esse fim. Essa demanda flutuante das commodities tem causado um
grande distúrbio para os produtores, sendo que muitos não têm resistido e têm
fechados suas usinas (REN, 2013).
No caso do biodiesel a demanda continua a aumentar devido: ao caráter
obrigatório em muitos países; pelas diversas matérias primas que podem ser
utilizadas; pelos avanços tecnológicos; e também pelas descobertas realizadas nos
últimos anos, todos esses fatores tem causado uma expectativa mais positiva em
torno deste biocombustível, representado nos acréscimos de produção desde sua
descoberta (REN, 2013).
Valores da produção mundial, de 2000 até 2012, dos principais
biocombustíveis, etanol e biodiesel, podem ser vistos na Figura 8.
Solar fotovoltaico
Potencial eólico
Solar concentrada
Hidroelétrica
Aquecimento solar de água
Produção por geotérmica
Produção de etanol
Produção de biodiesel
42%
19%
61%
3,1%
14%
2,6%
-1,3%
0,4%
60%
25%
43%
3,3%
15%
4%
11%
17%
Apenas em 2012Final de 2007 até 2012
38
Figura 8 - Produção mundial de etanol e biodiesel de 2000 até 2012.
Fonte: REN (2013).
2.3.2 Perfil brasileiro
Em 2012, o Brasil disputou juntamente com a Alemanha o terceiro lugar como
maior produtor mundial de biodiesel, atrás apenas de Estados Unidos e Argentina,
respectivamente o primeiro e segundo colocados (REN, 2013). No Brasil, no início de
2014, foi registrada a existência de 62 plantas autorizadas pela ANP para produzir e
comercializar biodiesel através do sistema de leilões (ver Tabela 4).
Tabela 4 - Plantas produtoras de biodiesel e suas capacidades registradas em
maio de 2014.
Plantas
Quantidade
Capacidade aproximada (m3/dia)
Novas plantas autorizadas para construção 2 700,00
Plantas autorizadas para operação e comercialização
64 21.827,79
Total previsto após conclusão de novas plantas e demais já em operação
66 22.527,79
Fonte: ANP (2014).
Os dados de produção de biodiesel, presentes no Boletim Mensal dos
Combustíveis Renováveis elaborado pelo MME, mostram a produção acumulada
atualizada. No acumulado do ano, a produção atingiu 1.012 mil m³ (dados calculados
até maio de 2014), um acréscimo de 10,4% em relação ao mesmo período de 2013
(917 mil m³) (ver Figura 9). No mesmo boletim são informados os principais dados
17,0 19,0 21,0 24,2 28,5 31,139,2
49,5
66,173,2
85,0 84,2 83,1
0,8 1,0 1,4 1,9 2,4 3,8 6,5 10,5 15,6 17,8 18,5 22,4 22,5
0
20
40
60
80
100
120
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Total
Etanol
Biodiesel
Bilhões de litros
39
pertinentes à produção de biodiesel no mercado brasileiro; nesse anteriormente citado
é apresentada uma considerável evolução do comércio de biodiesel de produção
nacional nos últimos anos com grande perspectiva para 2014, devido principalmente
à alteração na proporção obrigatória na mistura diesel/biodiesel (MME, 2014).
Figura 9 - Produção acumulada de biodiesel no brasil.
Fonte: MME (2014).
A produção acumulada de biodiesel brasileiro tem se desenvolvido em
consequência de acréscimos da demanda, o que tem incentivado o desenvolvimento
também da capacidade nominal, inclusive de novas plantas. E parte da capacidade
nominal não é efetivamente colocada em produção, devido à incapacidade de famílias
agrícolas de produzirem os suprimentos em escala necessários (PADULA, et al,
2012). Os boletins mensais do biodiesel elaborados pela ANP apresentam os valores
de capacidade nominal acumulada juntamente com a produção anual de biodiesel,
como pode ser visto na Figura 10 (ANP, 2014).
Figura 10 - Capacidade, demanda e produção anual de biodiesel brasileiro.
Fonte: ANP (2014).
40
2.4 GRUPO GERADOR
2.4.1 Propriedades do motor diesel
O motor diesel também é conhecido como motor de ignição por compressão
devido às suas características atreladas ao ciclo diesel, onde, a ignição ocorre sem
faísca envolvendo diversos detalhes diferenciados ao motor ciclo Otto, entre eles:
admissão apenas de ar; taxas de compressão mais alta; injeção controlada durante a
compressão. A relação de pressão e ângulo do pistão do ciclo diesel pode ser vista
na Figura 11.
Figura 11 – Diagrama de pressão no cilindro – motor diesel 4 tempos.
Fonte: Brunetti (2012).
A energia térmica do combustível, provinda do poder calorífico, não é
aproveitada completamente para gerar trabalho para o motor, como também a energia
elétrica por parte do alternador. Envolvida neste processo existe uma parcela de
energia que é desperdiçada, como por exemplo: pelos gases de escape;
transmissões; aquecimento de partes metálicas, entre outros. Em média, o rendimento
térmico de motores diesel é entre 36% a 40%, valor considerado alto em comparação
a outras máquinas térmicas (PEREIRA, 2012). Na Figura 12 é apresentado o
diagrama de fluxo térmico gerado a partir de um motor diesel equipado com turbo
compressor, é possível verificar que a potência efetiva foi de 41,5%. Dentre as demais
41
parcelas, há os exemplos do sistema de refrigeração e lubrificação responsáveis por
manter o adequado funcionamento do motor dentro de uma vida útil prolongada. Mas
é possível verificar também o não aproveitamento útil de 36,1% referente ao calor de
gases de escape.
Figura 12 - Diagrama do fluxo térmico para um motor diesel.
Fonte: Pereira (2012).
2.4.2 A combustão
A combustão em motores diesel ocorre pela autoignição gerada no contato do
combustível injetado com o ar aquecido, este previamente comprimido na câmara de
combustão pelo movimento de compressão do pistão, segundo representação na
Figura 13. O combustível é injetado, em um ou mais jatos, em instantes ligeiramente
antes do tempo desejado para a combustão.
42
Figura 13 – Representação esquemática da câmara de combustão durante a injeção.
O tempo entre o início da injeção do combustível e início da combustão é
conhecido como atraso na ignição e estabelecido por dois processos, um
retardamento físico e outro químico. Durante tais processos o combustível é injetado
e não ocorre aumento de pressão e temperatura no cilindro. Caso o retardamento se
prolongue muito poderá haver acúmulo de combustível na câmara e envolver riscos
de explosão ou em menor escala um crescimento brusco, anormal e indesejável de
pressão (HEYWOOD, 1988; STONE, 1999).
A combustão dentro da câmara do motor diesel pode ser dividida em duas
etapas: inicialmente acontece a combustão pré-misturada determinada pela rápida
liberação de energia que aumenta temperatura e pressão no cilindro, esse aumento
resulta em um atraso de ignição; e uma etapa subsequente de combustão controlada
pela mistura ar-combustível que consome o restante de combustível injetado (STONE,
1999; BRUNETTI, 2012); as etapas de combustão em função do ângulo da árvore de
manivelas podem ser vistas na Figura 14.
Figura 14 – Características da combustão do motor diesel em função do ângulo da árvore de manivelas.
Fonte: Brunetti (2012).
43
A autoignição no ciclo diesel é influenciada por: composição e qualidade do
combustível; temperatura e pressão do ar de admissão; e turbulências envolvidas
internamente no cilindro, segundo projeto das câmaras de combustão (GRIFFITHS &
BARNARD, 1995; MASTORAKOS, 2009; AGGARWAL, 1998).
A combustão pode ocorrer basicamente de duas formas, completa ou
incompleta.
Na combustão completa (Eq. 2) a reação ocorre com a proporção da mistura
ar/combustível adequada para queima total do combustível, pois dentro da câmara de
combustão há oxigênio do ar na quantidade suficiente para oxidação completa de
todos os elementos combustíveis. A combustão completa não ocorre na prática
durante a operação dos motores. A quantidade exata de ar estequiométrica é
chamada de ar teórico (VLASSOV, 2008).
CxHy + (x+𝑦
4)(O2 + 3,76 N2) → x CO2 +
𝑦
2 H2O + 3,76 (x+
𝑦
4)N2 (2)
Na combustão incompleta (Eq. 3) a reação ocorre com proporções menores de
ar do que necessário, sendo assim existe a formação de monóxido de carbono (CO).
CxHy + a (O2 + 3,76 N2) → b CO2 + c CO + 𝑦
2 H2O + 3,76 a N2 (3)
Caso exista ar em excesso na câmara de combustão obteremos nos produtos
da combustão o O2 (oxigênio) (Eq. 4). Desta maneira o excesso de ar para a
combustão normalmente é determinado pela presença de oxigênio em produtos de
combustão no escape do motor. Em alguns casos no coletor de escape é instalada
uma sonda λ (lambda) que determina a proporção de oxigênio nos gases de escape,
e assim monitora a composição dos gases de escape (VLASSOV, 2008).
CxHy + a (O2 + 3,76 N2) → x CO2 + b O2 + 𝑦
2 H2O + 3,76 a N2 (4)
44
Para que seja assegurada uma combustão completa é necessário estabelecer
excesso de ar para manutenção da adequada quantidade de oxigênio até o final da
propagação da chama (PINHEIRO e VALLE, 1995).
O coeficiente de excesso de ar (α) expressa a relação da mistura
ar/combustível, sendo estabelecido como a razão entre o volume total de ar utilizado
na combustão (Var) (kg/kg combustível ou m3/kg combustível) e o volume de ar
ideal/estequiométrica (Vºar), podendo ser calculada pela proporção volumétrica dos
produtos da combustão (PINHEIRO e VALLE, 1995):
𝛼 = 𝑉𝑎𝑟
𝑉°𝑎𝑟=
%CO2 (estequiométrico)
%CO2 (5)
Valores grandes do excesso de ar são indesejáveis, pois capazes de diminuir
a temperatura da chama, aumentar as perdas de calor devido à entalpia dos gases
efluentes, reduzindo a eficiência térmica, além também de reduzirem o comprimento
da chama durante a injeção. Mas o baixo excesso de ar também é prejudicial, pois
assim teremos combustão incompleta, com formação de CO e material particulado,
além de acumulação de combustível não queimado dentro da câmara, envolvendo
risco de explosão. O excesso de ar é um fator determinante para a eficiência da
combustão, pois tem interação direta no controle de volume, temperatura e entalpia
dos gases de combustão (PINHEIRO e VALLE, 1995).
2.4.3 Emissões do processo de combustão
A poluição é uma das consequências da tentativa do homem em obter energia
útil dentro do processo de combustão, processo este que gera efeitos diretos no meio
ambiente e interligados a diversos problemas de ordem social, política e econômica
(CARVALHO JUNIOR & LACAVA, 2003).
As emissões atmosféricas são as fontes mais perturbadoras provindas de
motores à combustão. Esta é uma preocupação que se tornou evidente para o mundo
e o Brasil, com maior destaque, a partir do início da década de 1970, devido à
identificação de reais interferências que as emissões podem causar no meio ambiente
45
e também especificamente na saúde da população. Existe uma relação direta do
impacto de emissões de partículas sobre a saúde humana, que pode até ser estimada
pelo número de doenças por kWh geradas, a depender da fonte de geração, ou
também estimativas que apresentam números de mortes por kWh gerado. Estudos
responsáveis por tais estimativas têm atrelado considerações de diversos riscos
incrementais ao ser humano, pois existem doenças respiratórias cumulativas
vinculadas, de forma distinta, a cada tipo de fonte poluidora (ALVES & UTURBEY,
2010). Fatta et al. (2013) destacam o potencial que ajustes operacionais nos motores
unido com a utilização de biodiesel podem promover vantagens significativas para a
saúde e meio ambiente.
As emissões provenientes de motores à combustão são nocivas ao homem e
ao meio ambiente, o que torna seu estudo importante para toda a sociedade. Mas a
análise desses produtos de combustão também se faz importante para o estudo de
motores à combustão. Pois a partir da identificação e proporção desses produtos é
possível: avaliar a eficiência do processo de combustão, com medições das
concentrações de CO, CO2, O2, HC, NOx, MP etc.; estabelecer concentrações de
gases poluentes limitados pela legislação de emissões; e compreender informações
importantes para determinação dos reagentes envolvidos na combustão.
Diversos estudos têm sido realizados com o sentido de investigar os impactos
da adição do biodiesel nas principais emissões de poluentes. A maioria dos estudos
tem demonstrado que a adição de biodiesel reduz o material particulado, o monóxido
de carbono e os hidrocarbonetos, e apresentando um acréscimo na emissão dos
óxidos de nitrogênio (FATTA et al., 2013; XUE; GRIFT; HANSEN, 2011; LAPUERTA
et al., 2008; FAZAL; HASEEB; MASJUKI, 2011; MOFIJUR et al., 2013; GIAKOUMIS,
2012).
a) Monóxido de carbono
O monóxido de carbono (CO) é um produto da emissão da combustão
incompleta, resultado de uma menor eficiência na reação entre combustível e ar,
devido à relação ar-combustível e homogeneização da mistura. A produção de CO é
iniciada pela quebra dos hidrocarbonetos, existindo a possibilidade de oxidação de
parte do CO no sistema de escapamento formando CO2. Os motores ciclo diesel
46
funcionam normalmente com excesso de ar, emitindo menores proporções de CO em
comparação ao ciclo Otto (MARTINS, 2013).
O CO tem impacto na saúde do ser humano, sendo capaz de levar à morte
caso seja inalado em relativas concentrações e por tempo prolongado. Em casos
menos graves, o CO pode causar dores na cabeça e náusea (ALVES & UTURBEY,
2010).
A investigação realizada por Xue, Grift e Hansen, (2011) com 66 artigos
apresenta que a maior parte da literatura estudada (86,4%) aponta para uma redução
das emissões de CO com a utilização de biodiesel comparado ao diesel.
Segundo testes realizados por Roy et al. (2013), foram encontradas reduções
de 8% até 15% em diferentes rotações do motor quando comparado biodiesel de
canola (B20) com diesel convencional (B0). Maiores reduções foram apresentadas por
Raheman e Phadatare (2004) com taxas de redução de 94% com B20 e 73% com
B100, comparado com diesel, em ambos os casos foi utilizado biodiesel produzido
pelo óleo de karanja. Segundo outros experimentos com biodiesel produzido pelo óleo
de mahua, Raheman e Ghadge (2007) apresentam taxa de redução máxima de 81%,
nas emissões de CO, com B100 em 20% de sobrecarga do motor. Haas et al. (2001)
relatam uma redução de 48% na utilização de B100 produzido por óleo de soja
comparado com B0.
Entretanto, nos testes desenvolvidos por Tan et al. (2012), com biodiesel de
óleo de pinhão manso, é apresentada uma flutuação significante nas emissões de CO.
Quando realizados testes com o motor operando em baixa carga, o B100 apresenta
acréscimo de 17,6% na emissão de CO, mas com operações de maiores cargas no
motor é possível verificar valores de redução na emissão de CO na faixa de 23,1%,
valores estes comparados com diesel. Muralidharan et al. (2011) reportaram diversas
variações quando comparado biodiesel de OGR (B20, B40, B60 e B80) com diesel.
Em baixas e médias cargas, o B40 apresentou maiores acréscimos na emissão de
CO frente às demais misturas, inclusive ao diesel. Enquanto que o B60 apresentou,
em baixa carga, breve similaridade nas emissões de CO comparado com o diesel, e
em média carga um leve acréscimo.
Apesar de serem em menor número, existem pesquisas com a publicação de
significativos acréscimos na emissão de CO na utilização de diferentes proporções de
biodiesel na mistura. Segundo os testes realizados por Silitonga et al. (2013) com
47
biodiesel de sumaúma (ceiba pentandra), nas proporções de B10, B20, B30, B40 e
B50, foi verificado alteração nas emissões de CO comparado ao diesel. Com as
misturas B20, B30 e B40, os valores aproximados de acréscimo chegaram até 25%,
32% e 43%, respectivamente. Porém, apenas o B10 das misturas estudadas
apresentou uma redução na emissão de CO, valor este em torno de 9%. As faixas de
acréscimo e redução foram mantidas similares durante todo o regime dos testes com
alteração na rotação de operação de 1300 rpm até 2400 rpm. As razões descritas para
este aumento são determinadas pelo biodiesel possuir uma maior viscosidade e uma
pior distribuição do spray durante a injeção, o que ocasiona em uma mistura pobre e
consequentemente numa combustão menos eficiente.
Sahoo et al. (2009) investigaram a influência na emissão e desempenho com o
uso de biodiesel de diferentes origens (jatropha conhecido como pinhão manso,
polanga, karanja) em motores agrícolas, e encontraram menores valores de emissão
de CO para o biodiesel de karanja nas seguintes proporções: KB20, KB50, KB100, e
para o biodiesel de polanga (PB100), cujos valores são de 2,93%, 5,87%, 5,13% e
12,96% menores que do diesel, respectivamente. Ocorrendo consideráveis
acréscimos na emissão de CO com biodiesel de pinhão manso (jatropha) em JB20,
JB50 e JB100, e com biodiesel de polanga de PB20 e PB50 na ordem de 35.21%,
14.67%, 5.57%, 34.24% e 2.59% comparado com o diesel, respectivamente (Figura
15). Não apresentando assim, um padrão regular pela variação na proporção de
biodiesel.
Figura 15 - Mudanças na emissão de CO em comparação com diesel.
Fonte: Sahoo et al. (2009).
De acordo com Sahoo et al. (2009), fatores que reduzem a qualidade da
combustão, como por exemplo o elevado calor latente de evaporação, podem ser uma
48
das razões para maiores emissões de CO. Outras questões apontadas são devido à
influência da maior viscosidade e também da menor homogeneidade de algumas
misturas.
As influências na emissão de CO pela proporção de biodiesel na mistura são
apontadas por diferentes causas, como ressaltam Arpa & Yumrutas (2010) e Xue, Grift
e Hansen (2011); dentre alguns dos principais fatores influenciadores podem ser
destacados: propriedade física e química da mistura (SILITONGA et al., 2013; PUHAN
et al., 2005); relação ar/combustível e temperaturas do motor (ALTUN et al., 2008);
deficiência de oxigênio na câmera; e tempo disponível para completa combustão
(ARPA et al., 2010). Alguns desses fatores são causados pelo teor de biodiesel na
mistura; matéria prima utilizada para a produção do biodiesel; modelo do motor e
condições de operação; e pelos eventuais aditivos que possam ser utilizados.
b) Dióxido de carbono
O CO2 é um produto primário de qualquer reação de combustão de
hidrocarbonetos, sendo um gás sem impacto direto na saúde do ser humano. É
identificado como um dos grandes responsáveis por absorver radiação infravermelha,
contribuindo para o aquecimento global (CARVALHO & LACAVA, 2003). Pelo fato do
CO2 ser um produto intrínseco à combustão, para redução do mesmo se faz
necessária uma evolução no rendimento do motor em geral ou modificar-se os fatores
envolvidos no sistema de combustão, assim será consumido menor combustível na
geração da mesma quantidade de energia com redução na vazão mássica de CO2.
No seu estudo, Lacava (2000) apresenta resultados da redução de CO2 pelo
enriquecimento do oxidante. O processo envolvido significa aumentar a concentração
de oxigênio acima dos 21% (volumétrico) presentes no ar, reduzindo assim a
concentração de N2, um componente inerte para a combustão que absorve energia
que poderia estar disponível para o processo. Com esse enriquecimento foi possível
reduzir em até 50% na emissão de CO2. A consequência desta redução gera um
aumento substancial de temperatura na região de chama, o que por, sua vez, favorece
a formação de NOx.
Sayin et al. (2013) destacam no trabalho publicado a influência da quantidade
de orifícios na válvula de injeção para o desempenho e emissão em motores diesel,
49
possuindo este fator efeito direto nas emissões de CO2, devido ao fato de alterar o
consumo de combustível e as taxas de oxidação envolvidos. A maior emissão de CO2
foi encontrada com a utilização da válvula injetora com oito orifícios, obtendo assim,
13.9%, 13.7% e 13.3% para B20, B50 e B100, respectivamente, e na utilização de
quatro orifícios com 13% e 13.1% para B0 e B5, respectivamente. Foram realizados
também testes com a alteração da carga e como esperado foi verificado um acréscimo
na emissão de CO2 em todos os casos quanto mais carga era aplicada.
c) Óxidos de nitrogênio
O termo atrelado a óxidos de nitrogênio, NOx, é a soma dos produtos de
combustão monóxido de nitrogênio (NO), com proporção média de 90%, e dióxido de
nitrogênio (NO2). Na atmosfera, o NO rapidamente se transforma em NO2 e ao entrar
em contato com o vapor de água forma ácido nítrico que, em conjunto com o ácido
sulfúrico, tem o potencial de formação de chuva ácida. O NO2 também pode ser
transformado em ozônio (O3) na ação de raios ultravioletas (FERNANDO et al., 2006).
O NOx pode ser formado pela reação entre o nitrogênio na composição do
combustível entre o oxigênio do ar, e também pela oxidação do nitrogênio presente
no ar. Segundo Zeldovich (1947), a grandeza determinante para que seja formado o
NOx é a temperatura envolvida na reação; tais reações que podem ocorrer na câmara
de combustão em um motor podem ser vistas na Tabela 5.
Tabela 5 – Constantes do mecanismo desenvolvido por Zeldovich.
Reações Temperatura (K)
O + N = NO + N entre 2000 e 5000
N + O = NO + O entre 300 e 3000
N + OH = NO + H entre 300 e 2500
Fonte: Zeldovich (1947).
É possível perceber que as reações são mais ativas acima de 2000 K de
temperatura e da necessidade de uma quantidade de nitrogênio e oxigênio para
efetivar as reações (ZELDOVICH, 1947). Na compreensão destes fatores envolvidos,
50
os projetos de motores são repensados - em especial o modelo e formato das câmaras
de combustão, além de sistemas de pós-tratamento - no intuito de reduzir a
temperatura de determinados pontos da chama, como também recirculação dos gases
de escape durante a exaustão e controles mais apurados do instante de início da
combustão (BRUNETTI, F. 2012).
Fattah et al. (2013) ressaltam que, em geral, o biodiesel quando comparado ao
diesel apresenta maiores emissões de NOx. De acordo Mueller et al. (2009), as
variações na emissão de NOx não ocorrem devido a uma única propriedade do
combustível, mas sim ao resultado de uma série de fatores que juntos geram efeitos
com potencial de afetar as emissões, no qual podem também cancelar um ao outro,
em condições diferentes, possuindo sempre a dependência das características de
combustão dos combustíveis utilizados. Para Nabi et al. (2009), o acréscimo nas
emissões de NOx é devido à existência de mais oxigênio disponível para a combustão,
provindo do biodiesel (cerca de 12% a mais do que o diesel), e também pelas maiores
temperaturas que a câmara de combustão alcançou nos testes realizados, fatores
estes que favorecem a formação de NOx. Saravanan et al. (2012) investigaram: a
influência da temperatura de chama; a concentração de oxigênio; o atraso da ignição;
e a densidade do combustível, como fatores que influenciam a taxa de formação de
NOx. Foi desenvolvido um método para predizer a influência destes fatores, no qual
foi confirmada suas reais influências em experimentos práticos, realizados pelos
autores, na utilização de diferentes tipos de biodiesel.
Hoekman e Robbins (2012) esclarecem alguns dos fatores influentes
relacionados a emissões de NOx. Por exemplo, motores mais antigos com sistemas
mecânicos de injeção apresentam um avanço acidental no tempo de injeção de
combustível, devido à compressibilidade do biodiesel. Motores mais modernos de
diesel eletronicamente controlados não experimentam este efeito, mas podem
apresentar outras questões positivas e negativas relacionadas ao NOx, dependendo
de como o sistema de controle de alimentação do motor responde às alterações, tais
como o teor de energia mais baixa do biodiesel, em comparação com diesel
convencional. Os resultados mais eficientes encontrados pelos autores para redução
de NOx é com ajustes no atraso de ignição e utilização de sistemas EGR. Motores
mais modernos podem contar também com um processo chamado combustão em
baixa temperatura, o qual pode oferecer uma redução significativa de NOx nas
51
emissões. A manipulação do combustível também pode ser uma maneira na redução
de NOx, como por exemplo pela utilização de aditivos que melhoram o número de
cetanas ou redução do teor dos componentes aromáticos.
Em busca de uma estratégia para redução da emissão de NOx com a utilização
de biodiesel, Al-dawody e Bhatti (2012) encontraram resultados positivos na sua
pesquisa com diferentes misturas de biodiesel de soja. Por simulação teórica, foi
identificada a possibilidade de resfriar a temperatura do ar de admissão de 55 para
15°C, ocasionando uma redução de 10,53% na emissão de NOx. Outra possibilidade
seria a mudança na geometria do pistão, no qual poderia se alcançar a redução na
emissão de NOx em 22,84%. Uma otimização teórica considerando multiparâmetros:
resfriamento do ar de admissão; ajustes no atraso de ignição; geometria do pistão;
recirculação dos gases de emissão (EGR); e aumento no diâmetro do bocal de
injeção, apresentou uma redução nas emissões de NOx com B20 de 50,26%. Após
determinação teórica da melhor estratégia, foram realizados experimentos que
validaram, com certa margem de erro, a melhor estratégia considerada pela simulação
teórica.
Segundo a pesquisa realizada por Ferreira et al. (2013), o uso de etanol pode
ser uma alternativa interessante para reduzir a emissão de NOx quando misturado ao
diesel e biodiesel como combustível em motores de ignição por compressão. Além de
também reduzir o consumo de combustível diesel nestes motores, beneficiando numa
redução do consumo de combustível fóssil. Os resultados desta pesquisa
demonstraram um aumento nas emissões de CO e de hidrocarbonetos quando
acrescido etanol à mistura. No entanto, as emissões de NOx foram reduzidas
consideravelmente associadas a uma redução na opacidade dos gases de exaustão.
Koc e Abdullah (2012) investigaram os efeitos da concentração de água em
nano emulsões com misturas de diesel e biodiesel em um motor diesel de quatro
cilindros. Nano emulsões adicionando 5%, 10% e 15% de água foram utilizadas na
comparação com diesel e B5 e B20. Os resultados demonstraram nano emulsões
produzindo menores emissões de NOx do que o diesel, B5 e o B20. Na comparação
entre todos, o B20 apresentou maior emissão de NOx (1024ppm) em 1000rpm,
enquanto a nano emulsão com 15% de água apresentou o menor valor de emissão
de NOx (882 ppm) em 1800 rpm, o qual foi 10% menor que o diesel convencional nas
mesmas condições. De acordo os autores, uma redução nas emissões de NOx foi
52
apresentada devido à água reduzir a temperatura de pico na câmara de combustão,
o que influencia na reação dos componentes para formação de óxidos de nitrogênio.
Neste estudo não foi verificada redução significativa no torque e potência gerados pelo
motor.
d) Compostos de enxofre (SO2 e H2S)
Os produtos compostos de enxofre, emitidos na combustão do motor, estão
relacionados com a porcentagem de enxofre contida no combustível em questão.
Devido ao fato do biodiesel possuir uma proporção não significativa de enxofre, em
comparação ao diesel mineral não hidrotratado, o seu uso traz melhorias na redução
deste tipo de emissão. O SO2 em contato com vapor de água pode facilmente formar
ácido sulfúrico (H2SO4), componente responsável pela chuva ácida. Por esse motivo
e demais impactos negativos a saúde humana, os combustíveis possuem restrição
referentes à proporção de enxofre contido neles. O PROCONVE tem evoluído e de
forma mandatória tem obrigado os produtores a uma redução gradativa no teor de
enxofre no diesel. Atualmente já é possível encontrar o diesel S10 (10 partes por
milhão de enxofre no combustível), mas tal norma não se aplica a todos os
consumidores de diesel pelo país.
e) Particulados
Os materiais particulados (MP) são produtos de uma combustão incompleta, e
são formados essencialmente de carbono com aparência amorfa com demais
materiais orgânicos aglutinados. O processo de formação de MP é influenciado por
diversos fatores, entre eles: fluxo de combustível, padrão da chama, os tipos de
hidrocarboneto queimado, e pressão e temperatura da câmara de combustão
(HEYWOOD, 1988).
Segundo estudo estatístico realizado por Giakoumis (2012), a adição da
proporção de biodiesel na mistura gera uma significativa redução do MP. O estudo
utilizou como referência diversos artigos atuais relacionados ao tema e verificou que,
em média, os valores de MP tendem a se reduzir numa proporção similar à adição de
53
biodiesel na mistura. Esse estudo foi também comparado ao relatório apresentado em
2002 pela EPA - “Agencia de Proteção Ambiental dos Estados Unidos” (Figura 16).
Figura 16 – Comparação do estudo realizado sobre a redução de material particulado com o
apresentado pela EPA. Fonte: Adaptado de Giakoumis (2012).
De acordo com Xue et al. (2011), 87,7% do banco de dados (73 artigos) usado
neste trabalho apresentou redução na quantidade de material particulado emitido pelo
motor quando substituído diesel convencional por B100. Foi visto que num caso
específico a redução chegou a até 91% em comparação ao diesel. Foram encontradas
também pesquisas, as quais não apresentam diferenças significativas na mudança
nas emissões de MP, entre o B100 e diesel (TURRIO-BALDASSARRI et al., 2004; QI
et al., 2010). Entre outros autores (9,6%), descritos por Xue et al. (2011), existem
estudos apresentando acréscimo do percentual de MP, sendo estes resultados devido
à maior viscosidade do biodiesel e sua consequência na influência da pulverização e
atomização, causando uma combustão mais deficiente. Com a mesma conclusão,
Aydin e Bayindir (2010) investigaram as emissões de biodiesel de algodão e
comprovaram um aumento nos MP emitidos quanto mais biodiesel existia na mistura.
A justificativa foi devida à densidade e viscosidade maior do biodiesel afetar a
volatilidade e consequentemente a atomização dentro da câmara de combustão.
Conclusão similar e resultados no acréscimo de emissão de MP também foram
encontrados no estudo publicado por Wu et al. (2009).
Fattah et al. (2013) ressaltam o efeito positivo que o biodiesel pode ter nas
emissões de material particulado. Destacam que este efeito é atribuído pela maior
quantidade de oxigênio presente na composição do biodiesel em comparação ao
diesel, o que diretamente afeta numa melhor combustão, como também na menor
quantidade de compostos aromáticos e enxofre. Na pesquisa realizada por Frijters e
54
Baert (2006), é apresentado o potencial de redução de material particulado em
motores diesel, com a utilização de aditivos oxigenados. Neste estudo a pesquisa foi
extrapolada para encontrar níveis mais baixos de emissão. Testou-se 13 misturas com
diferentes aditivos, agregando uma faixa de oxigênio de 0% até 15,71% de fração
mássica na mistura. Os resultados demonstraram uma considerável relação entre as
emissões de MP com o teor de oxigênio no combustível.
Ribeiro et al. (2007) apresentam uma revisão ampla dos principais aditivos
encontrados em mistura de diesel com biodiesel e/ou com etanol. Em alguns casos
referenciados deste estudo, os aditivos demonstraram ser a opção mais atrativa na
redução de MP, como também em outros casos uma significativa redução de NOx.
Os autores destacam os aditivos como uma ferramenta indispensável no comércio
global de combustíveis. Devido às cobranças para que as fontes de energia se tornem
mais limpas e renováveis, os aditivos podem suprir essa necessidade.
2.4.4 Características, propriedades e influências do combustível
O diesel derivado do petróleo é composto, em geral, de 75% de
hidrocarbonetos saturados (principalmente parafinas, incluindo n, iso e cicloparafinas)
e hidrocarbonetos aromáticos (incluindo 25% de naftalenos e alquilbenzenos). A
fórmula química em média para o combustível diesel comum é C12H23, variando
aproximadamente entre C10H20 e C15H28 (ATSDR, 1995).
No caso do biodiesel a fórmula química pode ser calculada utilizando a média
da distribuição de ácidos graxos presentes na amostra em questão. No caso da soja,
por exemplo, possui os ácidos graxos: palmítico (C16:0) variando em média de 8 a
17%; o esteárico (C18:0) de 3 a 30%; o oléico (C18:1) de 25 a 60%; o linoleico (C18:2)
de 25 a 60%; e o linolênico (C18:3) de 2 a 15% (HAMMOND & GLAZ, 1989), desta
forma, o biodiesel pode apresentar uma formulação média de C18H34O2 (SANLI et al.,
2014; BUNCE et al., 2011).
55
Tabela 6 - Tabela com propriedades do diesel e biodiesel.
56
a) Número de cetano
O número de cetano (NC) é um indicador adimensional referente à qualidade
de ignição do óleo diesel na câmara de combustão, tendo influência direta na partida
do motor; na operação geral do motor; e na produção dos gases de emissão
(SHAHABUDDIN, 2013; BEZAIRE, 2010; TAT, 2011; İÇINGÜR & ALTIPARMAK,
2003; RAJ, 2010; KIDOGUCHI, 2000; TORRES et al., 2005; SANTANA et al., 2006).
Este é um indicador utilizado como escala, no qual um combustível padrão de alta
qualidade é estabelecido como principal combustível de referência (PCR), o n-
hexadecano (cetano), sendo a ele atribuído o valor de NC=100 (SALDANA, 2011;
KENT et al., 1994).
O principal efeito relacionado ao número cetano é o de autoignição, este ocorre
quando a temperatura de uma mistura ar-combustível é alta o suficiente para que
ocorra a ignição sem a necessidade de uma centelha. As moléculas que são mais
suscetíveis em se fragmentar, como por exemplo os hidrocarbonetos de cadeia linear
(em detrimento das que são ramificadas, olefínicos etc.) facilitam a combustão,
estando assim, relacionadas à autoignição, atraso de ignição e consequentemente ao
número cetano. Quanto maior o número de cetano, maior será a capacidade de
fragmentação das cadeias do combustível (SANTANA et al., 2006). A Figura 17
demonstra a relação entre o volume específico e comprimento da cadeia com a
capacidade de ignição das mesmas.
Figura 17 – Relação entre o volume específico e o NC.
Fonte: Santana et al. (2006).
57
É possível estabelecer o número de cetano de forma física analisando o tempo
decorrido entre o início da injeção até o início efetivo da combustão, conhecido como
atraso de ignição. Caso esse atraso seja muito longo, poderá causar acúmulo
demasiado de combustível na câmara de combustão, causando aumento brusco de
pressão quando este volume entra em combustão, resultando assim em ruídos e
desgaste excessivo das peças (TAYLOR, 1989). A Figura 18 demonstra a influência
do número de cetano para o processo de combustão.
Figura 18 – Variação do atraso da ignição com combustíveis de diferente número de cetano:
NC 1 = 52, NC 2 = 42 e NC 3= 29. Fonte: Içingür & Altiparmak (2003).
Devido à existência de diferentes matérias primas para a produção de biodiesel,
o resultado do produto final pode conter diferentes propriedades e características
(Tabela 7). Desta forma, a depender do tipo do biodiesel e do teor de adição ao diesel,
existe a possibilidade de resultados específicos de emissão e desempenho para cada
composição utilizada (ATABANI et al., 2012; SRIVASTAVA & PRASAD, 2000). O
biodiesel, normalmente, possui um número de cetano superior ao diesel convencional,
o qual indica uma qualidade de ignição superior por parte do biodiesel.
Tabela 7 - Propriedades do biodiesel.
Matéria prima Número de Cetano Densidade
(kg/L) PCI
(kj/kg) Viscosidade Cinemática
a 37,8 C mm2/s
Amendoim 54 0,883 33,6 4,9
Soja 45 0,885 33,5 4,5
Babaçu 63 0,879 31,8 3,6
Palma 62 0,880 33,5 5,7
Girassol 49 0,860 33,5 4,6
Fonte: Srivastava & Prasad (2000).
58
Segundo Brunetti (2012), o NC adequado interfere em uma melhor partida a
frio, pois o NC é um indicativo da facilidade do combustível de entrar em auto ignição
em determinada temperatura e pressão. Assim, devido ao fato da partida a frio contar
com uma condição crítica de baixa temperatura, quanto maior o NC, mais fácil
ocorrerá a combustão, sendo este um fator de importante consideração em países
com clima de baixa temperatura. Outras interferências apresentadas: existe uma
menor tendência a depósitos na câmara de combustão e a promoção de uma menor
erosão dos pistões, pois com um atraso de ignição adequado o desgaste metálico
tende a ser reduzido. Os motores atuais possuem tecnologia para trabalhar com altas
pressões de ignição e possibilidade de se adicionar pré-pulsos de injeção, e nestas
condições a variação de NC possui menor influência.
O NC está envolvido também com o controle dos gases de emissão, devido à
interferência nas condições de injeção e das queimas mais homogêneas. Xiaobin et
al. (1996) testaram diferentes combustíveis diesel e encontraram cerca de 5% de
redução de NOx quando o NC é aumentado de 42 para 62 (Figura 19).
Figura 19 – Influência do número de cetano na emissão de NOx.
Fonte: Xiaobin et al. (1996).
De acordo Torres et al. (2005) quanto maior o NC do biodiesel, maior será a
redução no atraso de combustão, ocasionando assim uma redução nas emissões de
HC. Kidoguchi (2000) encontrou uma redução na emissão de fumaça e MP com a
redução do NC do combustível, em um motor diesel quatro tempos de injeção direta
operando em carga elevada. Entretanto, a concentração de NOx aumentou com a
diminuição do número de cetano, isto devido a uma maior taxa de liberação de calor
e menor duração da combustão, segundo explicação do autor.
Uma forma de estabelecer o NC é através de testes padronizados segundo a
norma ASTM D 613, a qual possui um procedimento de ensaio com equipamentos e
59
ajustes específicos, com condições de velocidade, carga e temperatura de admissão
pré-estabelecidas para os testes. Alternativa para estabelecer o número de cetano é
pelo índice de cetano derivado, utilizando equipamentos mais compactos e de
menores custos, normalizados pela ASTM D-6890 e D-7170, como também pelo
índice de cetano calculado, método de estimativa por meio de cálculos através da
norma ASTM D-4737. Neste último caso possui restrições de não obterem resultados
confiáveis quando utilizados aditivos para aumentar o número de cetano, ou com
óleos de baixo teor de enxofre (óleo diesel hidrotratado) (BRUNETTI, 2012).
b) Massa específica
Propriedade do combustível a qual demonstra a relação entre a massa e o
volume a uma temperatura específica. É uma propriedade capaz de indicar a presença
de contaminantes, caso os valores medidos estejam fora do especificado.
O valor da massa específica é um parâmetro essencial a ser considerado para
o projeto de motores a compressão, pois é um valor diretamente proporcional à
quantidade de energia oferecida ao motor, durante a injeção do combustível
(FILEMON, 2010). O sistema de injeção de um motor atua dosando o volume a ser
injetado, desta forma, variações na faixa de densidade podem influenciar na operação
e desempenho do motor. O aumento da massa específica implica em um aumento da
massa de combustível injetado e, assim, implicando na quantidade de energia inserida
no sistema (CARVALHO & MCQUAY, 2007). Consequentemente, nestas mudanças
de massa específica existe aumento de desempenho, entretanto também a
possibilidade de aumento das emissões. Em geral, a massa específica do biodiesel é
maior do que a do diesel (ver Tabela 6).
c) Poder calorífico
O poder calorífico é uma propriedade que estabelece a quantidade de energia
liberada por uma unidade de massa de um determinado combustível, quando
queimado completamente em temperatura pré-estabelecida (HEYWOOD, 1988).
O poder calorífico superior (PCS) é medido através de uma bomba
calorimétrica, considerando o calor total da combustão completa com os seus
produtos de combustão sendo resfriados até a mesma temperatura inicial do
60
combustível. Para os MCI é necessário utilizar-se o poder calorífico inferior (PCI), pois
neste existe uma correção do valor do calor total com a subtração do calor latente de
condensação da água. Durante o resfriamento dos produtos de combustão, a
formação de condensado proveniente do vapor de água influencia, com o calor
latente, nos valores do calor total medido; desta forma, se faz necessária a correção
do calor latente de condensação da água com sua devida porcentagem de massa da
mistura (BRUNETTI, 2012).
O PCI pode ser calculado da seguinte forma:
PCI = PCS – LH2O . mH2O (6)
Sendo LH2O o calor latente de condensação da água a 18°C = 2458,2 kJ/kg e mH2O a
massa da água por unidade de massa da mistura.
Na Figura 20 é possível verificar a relação existente entre a massa específica
de diversos combustíveis e a influência no PCI em massa e volume dos mesmos.
Figura 20 – Relação entre massa específica e o PCI.
Fonte: Brunetti (2012).
De acordo com Demirbas (2007), o poder calorífico do biodiesel, geralmente
entre 39 e 41 MJ/kg, é ligeiramente mais baixo do que o da gasolina, 46 MJ/kg, do
diesel convencional, 43 MJ/kg, e do petróleo, 42 MJ/kg, sendo maior que do carvão,
entre 32 e 37 MJ/kg. Özener et al. (2014) e Torres et al. (2006) destacam que, devido
ao fato do biodiesel possuir um poder calorífico menor que do diesel, é necessário
61
maior volume do biodiesel para atingir o rendimento similar ao do diesel, ocasionando
um consumo maior, acréscimo este apresentado por diversos estudos do biodiesel
com MCI.
d) Viscosidade
A viscosidade cinemática é a medida de resistência da vazão de um fluido no
escoamento através de um tubo capilar, com dimensões padronizadas e condições
pré-estabelecidas. Este é um dos fatores mais importantes que afetam o processo de
atomização do combustível na câmara de motores de injeção direta (YUAN &
HANSEN, 2009).
Valores altos de viscosidade causam problemas de atomização durante a
injeção na câmara de combustível (pulverização), em última análise formação de
depósitos no motor, tendência de danificar os bicos injetores, maiores emissões e
possibilidade de perda de potência do motor (YUAN & HANSEN, 2002). Senda et al.
(2004) destacam que o acréscimo de viscosidade pode causar uma perda de carga
na linha e bomba injetora, impossibilitando que a injeção ocorra de forma adequada.
Com as baixas viscosidades a queima de combustível ocorre muito próxima dos bicos
injetores, afetando os mesmos. Pelo aumento do tamanho das gotículas, causado por
uma ineficiente injeção, ocorre formação de fumaça e aumento nas emissões de
particulado (BRUNETTI, 2012). A viscosidade aumenta com o tamanho da cadeia e
com a redução de temperatura, sendo medida segundo norma ASTM D 445.
No estudo elaborado por Devan e Mahalakshmi (2009) sobre o desempenho e
emissões em um motor diesel ID (injeção direta), com misturas de diesel e óleo vegetal
de castanha da Índia (Sterculia Foetida), foi descrito como efeito da variação de
viscosidade destas misturas uma maior produção de CO para as composições de
maior viscosidade, devido a este fator afetar a qualidade de pulverização do
combustível na câmara.
Silitonga et al. (2013) analisaram os resultados de emissão e desempenho com
misturas de biodiesel de óleo de sumaúma (Ceiba Pentandra) e verificaram que a
viscosidade das misturas de diesel e biodiesel, que é maior do que o diesel, causou a
atomização pobre, misturas menos homogêneas e distribuição desigual de pequenas
porções de combustível na câmara de combustão.
62
Pulkrabek (2004) reporta a influência da viscosidade no processo de
combustão de misturas em MCI e o efeito no aumento ou redução da velocidade do
combustível no sistema de injeção e durante todo o processo de injeção na câmara,
impactando no atraso de ignição do motor.
e) Volatilidade
A volatilidade é uma propriedade dos combustíveis que interfere diretamente
na densidade e ponto de fulgor dos mesmos. Representa a distribuição de compostos
leves e pesados, indicando o perfil de vaporização do produto, sendo um fator a ser
conhecido imprescindivelmente durante os processos de destilação de petróleo.
Atrelado à volatilidade existe uma das propriedades termodinâmicas mais
importantes, a pressão de vapor, esta reflete a estabilidade e segurança dos
combustíveis (GUO et al., 2009).
A volatilidade é avaliada pelo ensaio de destilação estabelecido na ASTM D-
86, nesta é identificado a temperatura na qual uma parcela de combustível é
recuperada após sua evaporação, procedimento de separação de compostos
diferentes presentes no produto. A variação na destilação afeta o rendimento do
motor, pois componentes mais pesados tem a tendência de gerarem gotículas na
pulverização da injeção com maiores diâmetros, o que reduz a qualidade da
combustão, e por fim afeta nas emissões geradas pelo motor. Diferenças mais
significativas na destilação podem causar uma dificuldade de partida a frio pela maior
possibilidade de cristalização dos compostos parafínicos (mais pesados) e causar
também entupimento, caso sejam compostos com uma faixa alta no peso. A
destilação de um composto pode ser estabelecida pelos resíduos gerados na
destilação, o ponto inicial de ebulição (PIE), as diversas porcentagens de evaporados
intermediários e ponto final de ebulição (PFE), pontos estes que possuem relação com
a pressão de vapor. Este último, para avaliação de produtos de petróleo, estabelecido
pelo método chamado Pressão de Vapor Reid (PVR) (BRUNETTI, 2012).
Para os estudos elaborados por Di et al. (2009), uma menor emissão de HC foi
atribuída pela menor volatilidade do biodiesel em comparação com o diesel. Yuan,
Hansen e Zhang (2005) e Goodrum (2002) atribuíram a baixa viscosidade do
biodiesel, em comparação ao diesel, com problemas de combustão, como um maior
63
intervalo de ignição e pobre atomização na câmara. Jaichandar, Kumar e Annamalai
(2012) apresentaram um estudo da combinação dos efeitos do tempo de injeção e
geometria do pistão no desempenho de um motor diesel monocilindro a quatro
tempos, no qual relatam o impacto negativo da baixa viscosidade do biodiesel para
formação da mistura ar-combustível. Uma mistura ar-biodiesel inadequada com o
lento processo de evaporação afeta significativamente o processo de combustão
levando a um baixo desempenho do biodiesel na alimentação do motor diesel
f) Ponto de fulgor
O ponto de fulgor (flash point) é a menor temperatura na qual o combustível
inicia a emissão de voláteis propensos a propagar uma combustão após sua ignição,
é uma propriedade que possui uma relação intrínseca com a volatilidade do
combustível (CROWL; LOUVAR, 2002; TORRES et al., 2005). Não possui influência
direta no desempenho dos motores, mas é um fator importante a ser considerado na
segurança da operação e no transporte e estocagem dos combustíveis (GUO et al.,
2009). Além do mais é um indicativo de contaminação dos combustíveis. Um ponto
de fulgor muito baixo indica maior risco na estocagem e manuseio do produto.
g) Lubricidade
A lubricidade indica a capacidade de lubrificação do combustível, sendo
necessário para o bom funcionamento nos motores, quando em valores adequados,
evita o desgaste das partes internas do motor, principalmente nos motores atuais com
altas taxas de compressão, garantindo assim uma vida útil mais prolongada. O
biodiesel, por possuir um maior grau de lubricidade em comparação com o diesel, se
torna, quando utilizado como aditivo no diesel convencional, uma influência
significativa para operação do motor (RANDAZZO & SODRÉ, 2011; KNOTHE, et al.,
2005). A lubricidade é estabelecida pelos métodos High Frequency Reciproicating Rig
(HFRR) - conforme a ASTM D-6079 - e Scuffing Load Ball on Cylinder Lubricity
Evaluator (SLBOCLO), segundo a ASTM D-6078.
O artigo publicado por Nicolau et al. (2014) apresenta a relação entre a
lubricidade e propriedades de impedância elétrica para amostras de diesel com teor
64
de enxofre variando de 10 a 130 ppm e também com misturas de biodiesel-diesel (B1,
B3, B5, B10 e B100), baseadas em baixo enxofre (10 e 20 ppm), com biodiesel de
óleo de soja. Foi utilizado o método HFRR para comparação da lubricidade entre os
combustíveis testados; neste método a lubricidade é avaliada pelo diâmetro da escara
do desgaste (WSD), em μm, produzida pela esfera, nos eixos x e y com deslizamento
alternado contra o disco estacionário imersos num fluido. Quanto maior a lubricidade,
menor a escara do desgaste, resultado que demonstra a eficácia do filme lubrificante
interfacial em sua ação de separação dessas superfícies (FARIAS et al., 2012). Em
um dos resultados, Nicolau et al. (2014) comprovam a redução da lubricidade
(aumento do WSD) quando é reduzido o teor de enxofre do combustível (Figura 21).
Figura 21 – Tendência da capacidade de lubrificação em função da composição de enxofre no
combustível. Fonte: Nicolau et al. (2014).
Outro resultado apresentado por Nicolau et al. (2014) mostra o aumento da
lubricidade (menor WSD) quando ocorre o aumento da porcentagem de biodiesel na
mistura (ver Figura 22).
65
Figura 22 - O efeito do biodiesel como lubrificante em diversas misturas de biodiesel com diesel S10
e S20. Fonte: Nicolau et al. (2014).
Farias et al. (2011) também analisaram as curvas de porcentagem de filme
(lubricidade) na comparação entre B5 e diesel convencional. Neste foi constatado uma
maior variação para o diesel, sugerindo que o filme lubrificante da amostra de B5 de
soja possui mais estabilidade que o diesel convencional.
As normas internacionais têm estabelecido uma crescente necessidade na
redução das emissões, dentre os demais compostos, a redução de SOx, exigindo
assim a redução drástica dos teores de enxofre do diesel, redução atualmente
realizada através do hidrotratamento. A consequência deste processo é a obtenção
de um produto com baixo teor de enxofre, mas com uma significativa redução de
compostos polares e aromáticos que permite ao diesel uma lubrificação adequada.
Em alguns casos é necessário aditivo específico para alcançar os limites aceitáveis
(NICOLAU et al., 2014; PAZ-ZAVALA et al., 2013; BRUNETTI, 2012).
De acordo Valente et al. (2010), dos importantes requisitos necessários do
combustível para motores diesel é a capacidade de fluxo no sistema de alimentação
de combustível e lubrificação da bomba de injeção e dos injetores do sistema. Desta
forma, a utilização de diesel com baixíssimo teor de enxofre possui uma baixa
capacidade de lubrificação do sistema de alimentação e injeção de combustível,
principalmente em motores antigos de tecnologia ultrapassada, como é o caso de
motores com bomba de injeção em linha.
66
h) Teor de Enxofre
O enxofre é um componente que faz parte do petróleo e indesejável aos
motores à combustão interna. As duas influências básicas são diretamente nas
emissões de material particulado, e indiretamente pelo favorecimento de formação
dos depósitos e demais ocorrências de corrosão no motor. Na sua combustão é
formado o SO2 e SO3, que após reação com vapor d’agua e a própria umidade do
ambiente forma o H2SO4 (ácido sulfuroso) responsável pela chuva ácida. Geralmente
durante a operação do motor os óxidos de enxofre não causam problemas de
corrosão, pois devido às altas temperaturas das superfícies metálicas não ocorre
condensação de ácidos corrosivos (BRUNETTI, 2012).
A quantidade total de enxofre é menor para o biodiesel do que os combustíveis
originados do petróleo, chegando a valores quase desprezíveis. Esta especificação é
uma das grandes vantagens do biodiesel (ÖZENER et al., 2014)
i) Corrosão ao cobre
Teste que avalia o potencial corrosivo do produto analisado com relação a uma
placa de cobre polida. A corrosão ocorrida no teste é associada à presença do enxofre
e gás sulfídrico no produto testado, determinando a compatibilidade de um dado
combustível aos componentes fabricados em cobre ou bronze, em sua maioria do
sistema de injeção e equipamentos de estocagem/transporte.
Apesar das normas de qualidade estabelecerem só o índice de corrosividade
ao cobre, diversos autores investigaram os aspectos corrosivos de outros metais no
biodiesel (HU et al., 2012; GALLINA et al., 2010; CHEW et al., 2013; HASEEB et al.,
2010), devido ao processo de produção e distribuição de combustíveis utilizarem
equipamentos com diversos materiais, entre eles o alumínio e aço inoxidável.
Hu et al. (2012) estudaram o efeito do biodiesel de óleo de colza pela rota
metilica sobre as propriedades de corrosão de cobre, aço carbono, alumínio e aço
inoxidável, e foram comparados com as do diesel convencional. Os metais utilizados
no teste foram imersos no biodiesel a 43°C durante 60 dias - as taxas de corrosão
foram 0,02334, 0,01819, 0,00324 e 0,00087 milímetros/ano, respectivamente. As
taxas de corrosão dos metais na imersão no diesel foram relativamente baixas, sob
67
as mesmas condições de corrosão. Os efeitos do biodiesel na corrosão de cobre e de
aço de carbono leve foram mais significativos do que o alumínio e aço inoxidável.
Gallina et al. (2010) identificaram uma corrosão do aço inoxidável 304 pelo
biodiesel, mas, pelos resultados da análise óptica, foram semelhantes aos do cobre,
ou seja, não apresentaram mudanças significativas.
j) Ponto de névoa/turbidez, de entupimento e de fluidez
O ponto de névoa ou ponto de turbidez (cloud point) é a temperatura na qual é
iniciada a cristalização dos compostos parafínicos nos combustíveis, assim
apresentando uma aparência turva - ensaio padronizado pela ASTM D 5773. Caso o
combustível em questão seja ainda mais resfriado, será encontrado o ponto de fluidez,
caracterizado pelo crescimento dos cristais parafínicos organizando-se em redes com
espaçados aprisionamentos de líquidos, impedindo o escoamento adequado do
combustível. Caso exista formação de cristais em grande quantidade e bloqueando
parcial ou totalmente o sistema de injeção, a esta temperatura envolvida é chamada
de ponto de entupimento ou cold filter plugging point (CFPP), ensaio padronizado pela
ASTM D 6371, sendo este o ponto que melhor descreve a condição de um combustível
em baixa temperatura. Os compostos parafínicos são inconvenientes pela formação
de cristais, mas geralmente possuem altos NC (BRUNETTI, 2012). Esses pontos são
fundamentais para favorecimento da partida a frio e operação em baixas
temperaturas, principalmente em países com temperaturas médias abaixo de 0°C. O
ponto de névoa é determinado principalmente pela quantidade de ésteres saturados
e não depende da composição dos insaturados. (IMAHARA et al., 2006).
Segundo pesquisa realizada por Chupka et al. (2014), foi investigado o efeito
do monoglicerídeo saturado em misturas diesel/biodiesel no desempenho de motores
diesel operando em baixa temperatura. Diversos combustíveis foram analisados neste
estudo, entre eles seis tipos diferentes de diesel com ponto de névoa entre -16,5 °C e
-56,3 °C, e biodiesel de canola e soja com diferentes proporções de ésteres metílicos
de ácido graxo, estes apresentaram o ponto de névoa entre -1,2 °C e 9,5 °C, em todos
os casos o ponto de névoa foi estabelecido segundo a norma ASTM D 5773. Em geral
foi verificado que o biodiesel possui um ponto de névoa maior que o diesel. Num dos
resultados foi encontrado uma significante alteração no ponto de névoa quando
68
acrescentado biodiesel com maior porcentagem de monoglicerídeo saturado ou
saturated monoglyceride (SMG) na mistura, como pode ser visto na Figura 23.
Figura 23 - Efeito do acréscimo do teor de biodiesel e de monoglicerídeo saturado na mistura.
Fonte: Chupka et al. (2014).
Vários métodos têm sido utilizados, a fim de reduzir o ponto de névoa do
biodiesel, cada um possui como consequência várias desvantagens associadas
(REAUME & ELLIS, 2013), conforme descrito na Tabela 8.
Tabela 8 – Vários métodos de melhoria do ponto de névoa.
Método Definição Desvantagem
Mistura com diesel Envolve a mistura de biodiesel ao diesel de petróleo
em proporções variáveis Ainda dependente de fontes fósseis para os combustíveis
Fracionamento Ciclos de aquecimento e arrefecimento, onde as fracções sólidas são removidas em cada ciclo de
refrigeração
Removendo fracções do biodiesel reduz significativamente o
rendimento
Modificação de ácidos graxos
A modificação genética das sementes oleaginosas para aumentar óleos insaturados
Altos custos; Questões políticas sobre genética; Modificação de culturas de plantio; Estabilidade
do combustível
Álcool Utilização de álcoois de cadeia mais longa ou
ramificada para a esterificação, em vez de metanol Altos custos
Aditivos Aditivação com consequente ajuste do ponto de
névoa. Modificam a forma dos cristais parafínicos, ou ajudam com uma ordenação mais adequada
Tóxicos e/ou aumento do custo
Fonte: Reaume & Ellis (2013).
69
k) Estabilidade à oxidação
Propriedade relacionada com a capacidade do combustível em resistir à reação
(oxidação) com o ar durante seu transporte e/ou estocagem. Estas reações ocorrem
na temperatura ambiente e são aceleradas em maiores temperaturas. O grau desta
propriedade indica a tendência à deterioração do combustível e formação de borra
(ver Figura 24), influenciando no sistema de filtragem, injeção e eficiência da
combustão. O depósito sobre o sistema de alimentação, por exemplo, causa
problemas para a dosagem adequada a ser injetada, prejudicando consequentemente
a combustão e aumentando as emissões (LACOSTE & LAGARDERE, 2003).
Figura 24 – Bocal de injeção com depósito de goma, comparação diesel (DF) e biodiesel de óleo de
palma (PB20). Fonte: Liaquat et al. (2013b).
O biodiesel possui uma estabilidade à oxidação menor que o diesel, por isso
possui padrões mais rígidos perante as normas de qualidade. A oxidação do biodiesel
é um fator que pode prejudicar a qualidade do combustível e, consequentemente, o
desempenho do motor (SERRANO et al., 2013).
De acordo Pullen e Saeed (2012), as propriedades do biodiesel podem
deteriorar-se durante o armazenamento e em uso por auto-oxidação. Alguns
exemplos identificados pelos autores foram: o número de cetano e viscosidade,
afetando as emissões de escape do motor; e problemas operacionais do motor diesel
causados pelo acúmulo de depósitos e sedimentos nas peças do motor, influenciando
na corrosão e consequentes falhas. Produtos de oxidação podem atacar elastômeros,
entupir filtros de combustível e contaminar o óleo lubrificante do motor. Ácidos
corrosivos e os depósitos podem causar maior desgaste do motor. A auto-oxidação
do biodiesel foi considerada pelos autores principalmente devido à existência de
ácidos graxos insaturados.
70
Agarwal e Khurana (2013) realizaram um estudo com objetivo de encontrar um
antioxidante eficaz e sua respectiva concentração mínima necessária para atender as
especificações de estabilidade à oxidação de armazenamento. Foi utilizado o
biodiesel de Karanja sendo armazenadas em diferentes condições para teste (ou seja,
em exposição em ambiente escuro/luz solar; com ar/sem exposição ao ar; com
metal/sem exposição do metal). Os resultados apresentaram uma redução
significativa quando a amostra era colocada em exposição à luz e em contato metálico
(Figura 25).
Figura 25 – Estabilidade de oxidação do biodiesel nas diversas condições de teste.
Fonte: Agarwal & Khurana (2013).
2.5 LEGISLAÇÃO PARA FONTES ESTACIONÁRIAS DE ENERGIA
Considerando a necessidade de se estabelecerem as definições, as
responsabilidades, os critérios básicos e as diretrizes gerais para uso e
implementação da Avaliação de Impacto Ambiental como um dos instrumentos da
Política Nacional do Meio Ambiente no Brasil, foi criada a resolução do Conama Nº
001, de 23/01/86. Neste documento o impacto ambiental é definido como:
[...] qualquer alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas do meio ambiente, causada por qualquer forma de matéria ou energia resultante das atividades humanas que, direta ou indiretamente, afetam: a saúde, a segurança e o bem-estar da população; as atividades sociais e econômicas; a biota; as condições estéticas e sanitárias do meio ambiente; a qualidade dos recursos ambientais.
A legislação faz parte de uns dos mais importantes instrumentos para garantir
a proteção ambiental e atendimento a favor da saúde da sociedade. No caso dos
geradores à combustão interna fica evidente a necessidade de uma regulamentação
71
específica para este tipo de fonte de poluição. A regulamentação específica existente
no Brasil foi praticamente consequência da crise energética ocorrida em 2001,
estando listadas abaixo as legislações brasileiras com relações diretas ou indiretas a
grupo gerador.
2.5.1 Normas brasileiras
a) Resolução do Conama nº 436/11
Atualmente, existe a resolução do Conama nº 436/2011, que complementa a
as Resoluções nº 05/1989 e nº 382/2006, e busca estabelecer os limites máximos de
emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas instaladas, considerando o
Programa Nacional de Controle da Poluição do Ar (Pronar). A definição nesta
resolução dos limites máximos de emissão é dividida por grupos de equipamentos e
suas determinadas aplicações. Como exemplo, é determinado os limites de emissões:
provenientes de processo de geração de calor a partir de combustão externa com os
produtos: óleo combustível, gás natural, biomassa de cana de açúcar ou derivados da
madeira; provenientes de turbinas a gás para geração de energia elétrica; de
processos de refinarias de petróleo; entre outros. Desta forma, tal resolução não
impõe restrições a emissão de poluentes na geração de energia elétrica em grupos
geradores com combustão interna movidos a óleo diesel e/ou biodiesel. Sendo assim,
os fabricantes de grupos geradores com motores à combustão interna e utilização de
óleo combustível e/ou gás natural não necessitam seguir as restrições impostas por
essa Resolução.
b) Resolução Conama nº 279/01
A crise energética ocorrida em 2001 favoreceu a que o Conama aprovasse a
Resolução nº. 279 de 27 de junho de 2001. Nesta, institui facilidades que geraram
procedimentos para licenciamento ambiental simplificado de empreendimentos de
pequeno porte, dentre estes as usinas termelétricas e sistemas associados. Essa
resolução incentivou a instalação de novos sistemas geradores de menor porte, mas
sem se preocupar com a perturbação do ambiente, com os impactos sonoros e
72
impactos provenientes das emissões de gases de combustão, limites de emissões
inexistentes na época que persistem até o presente momento.
c) Leis estaduais e/ou municipais
Existem leis estaduais com o intuito de manter os padrões federais e
acrescentar requisitos específicos às necessidades locais. Como exemplo de
restrições locais aos grupos geradores existe a Lei Estadual nº 997 e o Decreto
Estadual nº 8.468 de 1976 em São Paulo, regulamentando ações de controle
ambiental e padrões para licenças de novas indústrias, bem como para aquelas já
estabelecidas. Neste caso existe a restrição de Ringelmann nº 1 (uma escala para
medir a densidade aparente do fumo, parâmetro que auxilia no trabalho de redução
na emissão de fumaça e particulados) como limite de emissão de fumaça emitida por
fontes estacionárias. Mas existe também nessa mesma lei restrições orientadas à
limitação de outros parâmetros de veículos a diesel e não apenas fontes estacionárias.
d) Resolução ANEEL nº 390/09
A Resolução nº 390, de 15 de dezembro de 2009, não possui caráter ambiental,
mas estabelece os requisitos necessários para a devida autorização relacionada à
exploração e alteração da capacidade instalada de usinas termelétricas e de outras
fontes alternativas de energia, como também definição dos procedimentos para
registro de centrais geradoras com capacidade instalada reduzida. Dentre os
requisitos é estabelecida a necessidade de registrar as centrais geradoras
termelétricas com potência de até 5 MW destinadas à execução de serviço público.
Este requisito é interessante, pois permite a criação de um inventário, sendo ainda
mais interessante caso seja expandido a produtores de pequeno porte e também aos
particulares.
e) Proconve
As principais mudanças e influências que ocorreram relativas ao diesel no
Brasil foram originadas pela criação do Programa de Controle da Poluição do Ar por
73
Veículos Automotores (Proconve), em 1986, um importante passo para redução das
emissões de poluentes no Brasil. Este é um programa que tem como base a legislação
da European Emission Standards (Euro Standards), que estabelece também os limites
de emissões de poluentes dos automóveis. O órgão federal que criou este programa
foi o Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), responsável por tomar decisões
nas questões relativas ao meio ambiente no Brasil.
Com relação aos grupos geradores, no Brasil não houve um desenvolvimento
de tecnologias voltado à redução de emissões, grande parte da responsabilidade é
devida a não existência de regulamentação específica que obrigue os fabricantes à
produção de equipamentos no atendimento de padrões de emissão rigorosos como
os estabelecidos aos veículos automotores (BARROS, 2007)
O Proconve apesar de ser um programa voltado à redução de emissões em
veículos automotores gerou impactos positivos para o setor de geração de energia
elétrica que utiliza geradores com motores à combustão, primeiramente pela melhoria
na qualidade do diesel oferecido ao consumidor, a porcentagem de enxofre no diesel
evoluiu ao S10 (10ppm), e segundo pela evolução tecnológica a que esse programa
obrigou os produtores de motores à combustão a alcançarem. Este último impacto
como um ganho indireto para geradores a diesel, já que os fabricantes não são
obrigados, em legislação, a utilizarem as normas do Proconve em motores de fontes
estacionárias.
No Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores os
veículos foram categorizados como leves e pesados, essa última categoria era para
aqueles com massa total acima de 3.856kg ou massa em ordem de marcha maior que
2.720kg, na sua grande maioria são os que utilizam motor a diesel. A primeira restrição
para os veículos pesados surgiu efetivamente em 1987, com o P1 (a letra “P” alusiva
à categoria de veículos pesados e o número “1” referente à primeira fase), foi exigido
que apenas os ônibus urbanos devessem sofrer modificações para redução nas
emissões; no ano seguinte foi a vez da frota total de veículos. Nos anos subsequentes
o Proconve foi evoluindo, e as restrições foram sendo alteradas tanto na categoria
leve como também na pesada separadamente. Os limites de emissões são diferentes
a depender da categoria, leve ou pesado, sendo que dentro de uma categoria os
limites são iguais para qualquer tipo combustível. No caso dos veículos pesados os
limites de emissão envolvem basicamente os níveis de monóxido de carbono (CO em
74
g/kW.h), hidrocarbonetos (HC em g/kW.h), óxidos de nitrogênio (NOx em g/kW.h) e
material particulado (MP em g/kW.h).
A fase mais nova da categoria pesados do Proconve é a sétima fase e foi
aprovada em 2008, com início de validade a partir de janeiro de 2012. Além das
mudanças que devem ocorrer nos veículos produzidos a partir desta data, existiram
também mudanças vinculadas com a comercialização do diesel com menor teor de
enxofre (AFEEVAS, 2013). Foi criado um novo plano de abastecimento do diesel S10
para que o padrão de qualidade seja mantido e o comércio em geral seja atendido,
este diesel entrou em vigor em Janeiro de 2013. A evolução dos limites estabelecidos
pelo Proconve em diversas fases do programa pode ser vista na Figura 26.
Figura 26 - Evolução dos limites do PRONCOVE. Fonte: MMA (2013).
O material particulado é uma mistura complexa de partículas extremamente
pequenas e gotículas de líquido. Nesta constituição, é possível encontrar
componentes como os ácidos (tais como os nitratos e sulfatos), produtos químicos
orgânicos, inorgânicos, metais e partículas de poeira. A formação do MP ocorre em
passos consecutivos de crescimento, partindo incialmente por meio de partículas
pequenas formadas durante a queima, como exemplo o carbono e hidrocarbonetos,
para no fim formar o aglomerado final em contato com as demais partículas do
ambiente.
Após esse processo o particulado tende a ficar suspenso no ar e ser inspirado
por seres humanos e animais, sendo assim, um dos grandes problemas referentes à
saúde, principalmente em grandes cidades que possuem alta concentração de
veículos Diesel. O poluente provindo de MP recebe maior atenção na legislação
ambiental pelo Proconve apresentando atualmente um limite de 0,02 g/kW.h.
14,0
0
11,2
0
4,90
4,00
2,10
1,50
1,503,
50
2,45
1,23
1,10
0,66
0,46
0,46
18,0
0
14,4
0
9,00
7,00
5,00
3,50
2,00
N.R
.
0,60
0,40
0,15
0,10
0,02
0,02
P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7
(todas unidades g/kW.h)
CO HC Nox MP
75
O diesel S50 deveria ser obrigatório desde o início de janeiro de 2009, como
também a mudança na tecnologia de funcionamento dos motores, mas só foi
implementado em janeiro de 2012, o que atrasou a implementação do S10. É
estimado, entre 2009 até 2040, pelo impacto destes atrasos na adoção de um diesel
mais limpo no país, um mínimo de 13.984 mortes (ANDRE et al., 2012). Passivo que
vai demorar até 2040 para ser zerado, pois a venda de motores a diesel com
tecnologia antiga e de alta emissão de poluentes foi permitida durante estes últimos
anos e as renovações desses motores ocorrem de forma lenta. No caso
especificamente dos motores da geração de energia elétrica, estes possuem um
passivo ainda mais prolongado por utilizarem, em alguns casos, motores de veículos
inutilizados para transporte.
Neste estudo aqui elaborado é demonstrado o funcionamento e evolução do
Proconve, pois este tem influência direta e indireta na redução em emissões para
fontes estacionárias. Os geradores emitem os mesmos poluentes dos motores de
veículos à diesel, e na maioria dos casos maiores quantidades de poluentes por
obterem tecnologias que não avançou no contexto ambiental, comparativamente à
veicular. Além do Proconve, existem legislações estaduais que buscam uma redução
ainda maior das emissões veiculares, como, por exemplo, com regras de rodízio de
automóveis e o programa de inspeção veicular, para assim obter uma fiscalização
apurada, condição esta que não ocorre com a dos geradores a diesel.
2.5.2 Normas internacionais
Existem normas internacionais bem específicas com relação a emissões
geradas por fontes fixas, especialmente em grupos geradores (na norma europeia são
chamados de nonroad gensets). Por exemplo, esta norma europeia (European
Emission Standards) já está no seu estágio IIIA para os grupos geradores. Os limites
são agrupados segundo a potência ativa do gerador (em 50 Hz) e possuem restrições
para os principais constituintes da emissão: NOx, HC, CO e MP, como apresentado
na Figura 27.
76
kVA (50 hz) kWm HP 2007-2010 2011 2012-2017
18-33 18-36 24-48 8,0/1,5/5,5/0,8 (7,5)/5,5/0,6
38-55 37-55 49-74 7,0/1,3/5,0/0,4
(4,7)/5,0/0,4
66 56-74 75-99
70-110 75-129 100-173 6,0/1,0/5,0/0,3 (4,0)/5,0/0,3
138-550 130-560
174-751 6,0/1,0/3,5/0,2 (4,0)/3,5/0,2
Figura 27 - Limite de emissões geradas por fontes fixas. Fonte: DIESELNET (2013).
No estágio II, os limites era separados entre NOx/HC/CO/MP (g/kW-h), já no
estágio IIIA houve a mudança para (NOx+HC)/CO/MP (g/kW-h), onde os valores de
NOx e HC devem ser somados para estabelecimento do limite de emissões.
2.6 FORMAÇÃO E MÉTODO DE COLETA DO MATERIAL PARTICULADO
2.6.1 Processo de formação
As emissões de material particulado é um dos principais poluentes de motores
diesel, com altíssimo potencial prejudicial à saúde humana (Tana et al., 2007). Sua
formação tem origem dos produtos de uma combustão incompleta, e são formados
essencialmente de carbono com aparência amorfa com demais materiais orgânicos
aglutinados. Os núcleos de carbono iniciam um processo de aglomeração e adsorvem
diferentes outros componentes da fase gasosa. O processo de formação de MP é
influenciado por diversos fatores, entre eles: fluxo de combustível, padrão da chama,
os tipos de hidrocarboneto queimado, e pressão e temperatura da câmara de
combustão (HEYWOOD, 1988).
Estágio II
Estágio IIIA
77
Figura 28 - Representação esquemática da formação de material de particulado durante e pós a combustão. Fonte: Adaptado de Twigg & Phillips (2009)
A formação de partículas começa com a nucleação de partículas seguido das
subsequentes aglomerações dos demais componentes, passando assim, para o modo
de acumulação e por fim o modo de sedimentação (Twigg & Phillips, 2009). Esses
modos advêm de termos introduzidos em 1973, por Whitby, relacionando assim, o
tamanho das partículas com o respectivo processo de formação destas. A nucleação
possui partículas com diâmetros em torno de 0,001 até 0,1 µm, modo de acumulação
com diâmetros entre 0,1 até 1 µm e o modo de sedimentação ou das “partículas
grosseiras” (tradução de coarse mode) com diâmetros maiores que 1 µm (Seinfeld &
Pandis, 1998).
O modo de nucleação se forma a partir de componentes voláteis desde a
emissão da câmara de combustão até seus posteriores processos de resfriamentos e
diluição. O modo de acumulação, consiste no acúmulo de componentes de carbono
aglomerados e adsorvidos com outros materiais. A sedimentação já é uma fase final,
no qual, as partículas atingem o tamanho e peso máximo com reações físicas
provenientes do ambiente (Tana et al., 2007).
78
Figura 29 - A classificação do MP de motores diesel de acordo com o tamanho das partículas. Adaptado de Twigg & Phillips (2009)
Caso seja analisado a distribuição por massa em um processo típico de
emissão de gases poluentes em um motor diesel, é possível verificar que a maior
concentração de massa se encontra no modo de acumulação. De forma oposta
acontece caso seja analisado o mesmo cenário, mas agora pela distribuição por
quantitativo, ou seja, número de partículas. Fica evidente que no modo de nucleação
a quantidade de partículas menores (nano partículas) aparecem em números muito
maiores que no modo de acumulação, isso ocorre devido ao processo de aglomeração
envolvido (Federal Register, 2001).
2.6.2 Método de coleta
No caso de material particulado, a resolução do Conama nº 436/2011 adota o
método gravimétrico como meio de medição de emissão de partículas em fontes
pontuais, conforme norma NBR 12019 ou NBR 12827, considerando também as suas
respectivas alterações, ou outro método equivalente desde que aceito pelo órgão
ambiental licenciador.
79
A NBR 12019, refere-se a norma padrão para determinação de material
particulado em dutos e chaminés de fontes estacionárias, já a NBR 12827, também
define o padrão para determinação de material particulado, mas esta possui a
aplicação para fontes estacionárias com sistema filtrante no interior do duto ou
chaminé. Existem também normas definidas pela Companhia de Tecnologia de
Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB), que estabelecem as
condições exigíveis para determinação de material particulado. Com uma maior
abrangência a regulação CFR 40 - Parte 60, Apêndice A, estabelecida pelo Governo
Federal dos EUA em concordância com a Agência Norte-Americana de Meio Ambiente
- EPA (Environmental Protection Agency), determinam os padrões de operação para
diversas fontes estacionárias. De uma forma geral essas normas provêm um pacote
geral de informações para a devida operação com a adequada aparelhagem para
amostragem (sampling train - trem de amostragem), juntamente com os respectivos
procedimentos para coleta de amostras representativas.
80
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Para a execução dos testes serão levantados os dados experimentais do
consumo total do combustível, consumo específico, emissão dos gases NOx, CO2, CO
e O2, material particulado e calculado o rendimento energético (eficiência de
conversão de combustível) e eficiência exergética do sistema. Os testes vão ser
conduzidos com a simulação da condição de baixa e média carga (9, 18, 27 kW)
aplicada ao grupo gerador em questão (48kW de potência ativa).
3.1 APARATO EXPERIMENTAL
Para realizar a análise dos parâmetros necessários para esse trabalho serão
utilizados equipamentos e instrumentos, entre eles: medidores de temperaturas,
emissões gasosas, sinais elétricos de corrente e tensão, massa de combustível
consumido, analisador de gases de exaustão e desenvolvido um sistema de
caracterização de material particulado. Os experimentos foram realizados no
Laboratório de Energia e Gás (LEN) da Universidade Federal da Bahia – UFBA. O
esquema do sistema experimental é composto de: motor gerador e instrumentos nos
respectivos pontos de medições (Figura 30).
Figura 30 - Esquema motor-gerador, componentes e instrumentos de medição.
Termômetro
Digital
Resistências
Elétricas
Balança Digital
Amperímetro
Instrumento de
Medição de Gases
81
3.1.1 Grupo gerador
O experimento será conduzido no moto gerador, com modelo do motor do ciclo
diesel MWM-D225, detalhes técnicos mostrados na Tabela 9, acoplado a um
alternador modelo Negrini tipo ATE de 60KVA, trifásico, 220/380 VCA, 60 Hz, com 48
kW de potência ativa.
Tabela 9 - Descrição do motor MWM D225.
DESCRIÇÃO CARACTERÍSTICA
Modelo MWM / D225
Motor 5,7
Combustível Diesel
Versão 6 Cilindros
Deslocamento 5.658
Diâmetro x Curso 100 x 120 mm
Tipo Construtivo 4 Tempos
Tipo de Injeção Direta
Aspiração Natural
Potência máxima 130 cv / 95,61 kW a
2400 rpm
Peso 570 kg
Taxa de compressão 17,0 : 1
Fonte: Adaptado de MWM (2013).
O ensaio será realizado com o grupo gerador em baixa e média carga com o
incremento de consumo de energia elétrica de 9 kW (9kW, 18kW e 27kW), em um
banco de carga de dissipação da energia, mantendo a rotação constante em 1800
rpm, devido a necessidade de manutenção na tensão de saída, com variação das
composições das misturas de biodiesel.
Figura 31 – Grupo gerador utilizado no estudo.
82
3.1.2 Banco de carga para dissipação de energia
A energia a ser produzida no grupo gerador será transferida para um banco de
carga para dissipação de energia elétrica gerada (Figura 32a). Este banco de carga é
constituído por um tanque de fibra de vidro de volume 2.000 litros, preenchido com
água ao nível máximo, instalado em local aberto e bastante ventilado.
Figura 32 - a) Banco de carga - tanque de água; b) Sistema de carga – resistências para
aquecimento; c) Sistema de bombeamento para a recirculação.
Serão instaladas três resistências elétricas (capacidade de 9 kW cada uma)
com a possibilidade de configuração bifásica ou trifásicas, sendo do modelo aço
inoxidável tubular blindado, com 3 elementos, soldadas em flange de latão, destinado
para processos industriais de baixa viscosidade (ver Figura 33).
Figura 33 - Resistência 9 kW aço inox tubular blindado.
a) b)
c)
83
Para manter a voltagem uniforme entre elementos da resistência, e obter
correntes similares para manutenção da mesma potência em cada resistência, foi
estabelecida a configuração trifásica para cada resistência com a mesma sequência
de interligação entre os polos do gerador.
Para evitar um superaquecimento da água do tanque será instalado um sistema
de recirculação composto de motobomba do fabricante Schneider com pressão
máxima de 7,0 mca e vazão de 2,8 m3/h, no limite máximo estabelecido, Figura 32c
As tubulações foram instaladas orientando o fluido do fundo do tanque em direção à
lâmina d’água do tanque (área de maior aquecimento, devido às localizações das
resistências) (ver Figura 32b).
3.1.3 Medição de carga elétrica
Para realizar a medição da carga elétrica foi utilizado um alicate amperímetro
da marca Fluke, modelo 303 (classificação CAT III 600V), sendo medidos os
parâmetros de voltagem e corrente, ambos necessários para estabelecimento da
potência consumida.
Figura 34 – Alicate amperímetro Fluke 303.
3.1.4 Medição de massa (consumo do combustível)
A coleta para os valores de consumo do combustível foi realizada por um
sistema composto por uma balança digital marca Toledo, modelo 9094-I, de carga
máxima de 15 kg, com resolução de 0,005 kg.
84
Figura 35 - Balança digital Toledo, modelo 9094-I.
3.1.5 Medição de temperaturas
A medição de temperatura foi realizada com o termômetro digital da marca
Mastech, modelo MS6514, composto de duas entradas de sinal. Os sensores
utilizados foram do tipo K de superfície e do tipo universal.
Figura 36 – (a) Termômetro digital Mastech MS6514; (b) Termopar tipo K de superfície; (c) Termopar tipo K universal.
3.1.6 Instrumento de medição de gases e vazão de ar
O instrumento utilizado para analisar características dos gases de combustão
foi o Tempest, modelo 50, do fabricante Telegan. O Tempest 50 analisa O2, CO, CO2,
NO, NOx, temperatura e pressão diferencial e possui uma impressora integrada,
memória e saída RS232.
Figura 37 – Analisador de emissões de poluentes Tempest 50.
(a) (b) (c)
85
3.1.7 Medição da vazão de fluido de arrefecimento
Para realizar a análise energética e exergética será necessário medir a vazão
do fluido de arrefecimento do motor para o cálculo das perdas de energia. Para este
fim, o fluido de entrada do radiador, a jusante da bomba, foi direcionado para um
recipiente graduado, dentro de ciclos de operações cronometrados. Esse
procedimento tem o potencial de influenciar nas perdas de carga (características de
carga do sistema) e consequentemente na mecânica do fluido, sendo assim, foi
considerado um fator de influência na perda de carga no cálculo de incerteza da
medição.
Com as vazões do fluido de arrefecimento foi possível estabelecer uma
medição da vazão de circulação do fluido no motor. Juntamente com as medidas das
temperaturas de entrada e saída do fluido do radiador, então foi possível estabelecer
a parcela de calor perdido do sistema de arrefecimento.
3.1.8 Coleta e medição de material particulado
Um sistema foi desenvolvido com uma metodologia própria para coleta de
material particulado, e comparativo destes resultados pelo método gravimétrico, nos
diversos ciclos realizados com diferentes combustíveis e diferentes cargas simuladas.
O esquemático do sistema juntamente com o posicionamento da instalação na
descarga do motor pode ser visto na Figura 38.
Figura 38 – Esquema de funcionamento do sistema de coleta de material particulado.
86
O sistema é composto de: tubulações de cobre; conjunto de válvulas para
operação das linhas a serem acionadas; resistências flexíveis para manutenção da
temperatura na linha; porta filtro confeccionado especialmente para o objeto de
estudo; controlador e indicador de temperatura; condensador; bomba de vácuo com
vaso de separação; rotâmetro como elemento de registro e controle de fluxo à jusante
(ver Figura 39).
Figura 39 – Sistema desenvolvido para coleta de material particulado.
Foi criada uma derivação na descarga do motor e instalada uma acoplagem de
rosqueamento com anilha, para assim obter-se uma devida orientação dos gases da
descarga para o sistema de material particulado aqui desenvolvido. A temperatura à
montante do filtro foi modulada, com o controlador da marca Inova modelo INV-1713
e Termopar tipo J, para evitar condensados e perda do material particulado no trajeto
até o filtro. O sistema conta com a utilização de microfiltros circulares Merck Millipore,
Figura 40 – b), com diâmetro de 47 mm e poro de 0,7 µm, formado de fibra de vidro
sem resina ligante para manter a integridade estrutural sem perda de peso. Filtro este
recomendado para determinar matérias voláteis em suspensão em águas residuais e
efluentes industriais, e também para monitoração de aerossol em altas temperaturas.
Após a retenção dos materiais particulados, os gases devem passar por um
sistema de condensação e separação, como forma de proteção da bomba de
aspiração e do medidor de fluxo. Para a manutenção do fluxo, foi utilizada uma bomba
de vácuo aspiradora do fabricante NS modelo Aspiramax MA520, com vazão máxima
de 20L/min., a medida do fluxo foi obtida com um rotâmetro instalado à jusante do
sistema de coleta.
87
Para medição do material particulado foi utilizado o método gravimétrico com a
balança analítica digital da marca Mettler Toledo modelo AL204, com precisão de
0,01mg, Figura 40.
Figura 40 – a) Balança analítica Mettler Toledo AL204; b) filtros utilizados no experimento
3.2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
3.2.1 Preparação das misturas
Foram utilizados os combustíveis B5, com a proporção de 95% de diesel s10,
e B100, produzido pela rota metílica nas proporções de 17% óleo de soja e 83%
gordura bovina, para a preparação de todas as misturas aqui estudadas. Os
combustíveis possuem certificado de qualidade para o devido rastreamento gerados
pela empresa Binatural Indústria e Comércio de Óleos Vegetais Ltda. A análise
laboratorial do biodiesel aqui utilizado apresentou todos os resultados dentro das
especificações de acordo com a Resolução ANP Nº 14, de 11.5.2012 - DOU
18.5.2012. Os combustíveis foram cedidos pela parceria com a Distribuidora de
Petróleo da Bahia S/A (Petrobahia), a partir da sua planta em São Francisco do Conde
– BA.
As misturas de B5 com os demais acréscimos de B100 serão realizadas de
forma volumétrica pela adição dos valores incrementais do biodiesel, sendo utilizadas
neste experimento as composições de B5, B25, B50, B75 e B100. Para criar as
misturas com composição de B25, B50 e B75, foi calculado, segundo o fator
volumétrico, quanto de B100 é necessário acrescentar em B5 para obter tais misturas.
Com os valores de proporção determinados foi realizada a mistura com agitação
manual em um vasilhame vedado durante 2 minutos contínuos. Todo o processo da
preparação das misturas foi cronometrado e a temperatura e a umidade do ambiente
a) b)
88
medidas. A diferente coloração caracteristica entre as diferentes proporções do
biodiesel pode ser visto na Figura 41.
Figura 41 - Amostra das misturas utilizadas nos experimentos.
3.2.2 Procedimentos gerais de operação
Para obter-se uma maior confiabilidade nos dados coletados serão tomadas
algumas medidas: durante a partida do grupo gerador será estabelecido o parâmetro
de 20 minutos para que seja alcançado um estado de aquecimento dos componentes
do motor; em busca da garantia de repetibilidade, serão considerados três ciclos de
coleta de dados e com o tempo de intervalo de operação de 10 minutos entre estes.
Durante a mudança da mistura (B5, B25, B50, B75 e B100) será necessário
estabelecer um procedimento para realizar a purga completa dos componentes
internos do motor e do sistema de injeção. Este tempo de purga está sendo
considerado pelo volume total das câmaras de combustão e volume estimado contido
no sistema de injeção. Desta forma, o intervalo de purga na troca da composição de
mistura ficou estabelecido em 5 minutos. Essa medida foi tomada para reduzir o grau
de influência de um tipo de mistura, ainda presente nas partes internas do motor, na
coleta de dados de outra mistura com diferente composição. A duração dos testes
pode ser vista na Tabela 10.
Tabela 10 – Duração dos procedimentos dos testes de emissão e desempenho.
Procedimento Carga Elétrica (kW) Duração (min)
Partida 27 10
Purga 0 5
Teste propriamente dito
9 10 por ciclo
18 10 por ciclo
27 10 por ciclo
89
3.2.3 Procedimento de coleta e medição de material particulado
Para coleta do material particulado, os microfiltros, utilizados no sistema
desenvolvido, serão desidratados em estufa a 110°C e posteriormente pesados, para
assim obter-se os valores referentes à massa sem a umidade ambiente. A
amostragem ocorrerá com a instalação dos filtros em um portafiltro, após a pesagem,
conectado diretamente à exaustão do motor, por uma linha aquecida a 115°C, com o
controle do fluxo de 12L/min.
Para a medição do material particulado com o método gravimétrico, foi
realizado o procedimento de desidratar o filtro antes da medição, em estufa a 110°C
e posteriormente pesado.
3.2.4 Análise energética
O sistema na Figura 42 demonstra a representação termodinâmica
considerados os testes que aqui serão realizados para a devida análise energética.
Figura 42 – Consideração dos fluxos no volume de controle do sistema.
O balanço entre os fluxos de energia de entrada e de saída na superfície de
controle são estabelecidos como:
Ecomb = ṁcomb . |PCI| = |Qvc| + Wvc + Eex (7)
90
Onde o Ecomb é o fluxo de energia entrando no volume de controle em [kW]; o ṁcomb
(vazão mássica) em [kg/s]; o PCI (poder calorífico inferior) em [kJ/kg]; o Qvc é o calor
perdido pela fronteira estabelecida em [kW], o qual engloba o calor do fluido de
arrefecimento; o Wvc a energia elétrica gerada em [kW]; e o Eex energia perdida pelos
gases de exaustão [kW].
3.2.4.1 Consumo de combustível
A medição da taxa do consumo de combustível é fundamental para
desenvolver outros dados importantes na análise do motor, com ela é capaz de se
obter os valores de consumo específico, os quais indicam o consumo a depender da
demanda solicitada na geração. Outro importante fator é o conhecimento da eficiência
com que o motor transforma a energia química do combustível em trabalho útil e
também a eficiência exergética.
A taxa de consumo será calculada pela medição da vazão mássica do
combustível, em uma balança digital da marca Toledo, e o tempo medido por um
cronômetro. Pela equação 8 será realizado o cálculo da taxa de consumo de
combustível realizado em todos os ciclos do experimento.
(8)
Onde a taxa do consumo, ṁ, é expressa em [kg/h], mi, a massa inicial de combustível
do ciclo em [kg], mf, a massa final de combustível do ciclo em [kg] e t, o tempo de
ensaio em [h].
O cálculo do consumo específico será realizado utilizando a equação 9, sendo
calculado para diferentes modos de operação, segundo a carga de saída
incrementada.
91
(9)
Onde o consumo específico do combustível, cec, é expresso em [kg/kW.h], ṁ (vazão
mássica) em [kg/h] e P, potência elétrica gerada (estabelecida pela tensão e corrente
elétrica medidas na saída do gerador) em [kW].
3.2.4.2 Eficiência energética
Para determinar a eficiência energética do sistema - também conhecida como
eficiência de conversão de combustível, conversão da energia química do combustível
em movimento pelo motor e por fim energia elétrica pelo gerador - será utilizado a
equação 10 (HEYWOOD, 1988).
(10)
Onde a η = eficiência de conversão de combustível e cec (consumo específico) é
expressa em [kg/kW.h] e o PCI (poder calorífico inferior) em MJ/kg.
O poder calorífico inferior foi determinado considerando o poder calorífico
superior de todas as misturas utilizadas no estudo, valor este determinado pelo
calorímetro IKA C2000 Basic do Centro Interdisciplinar de Energia e Ambiente
(CIEnAm) da UFBA, Figura 43.
cec
c
cec . PCI
92
Figura 43 – Calorímetro modelo IKA C2000 Basic.
A Tabela 11 apresenta os valores do poder calorífico inferior utilizados neste
trabalho.
Tabela 11 - Poder calorífico inferior das diferentes misturas.
PCI (MJ.kg-1)
B5 B25 B50 B75 B100
43,155 41,958 40,635 38,831 37,503
3.2.5 Análise exergética
Almeida (2005) e Torres (1999) apresentam a análise exergética aplicada a
complexos industriais, nestes casos, são aplicações mais complexas com diversos
processos termodinâmicos, mas apontam detalhes de perdas dos processos,
similares ao proposto neste estudo. Após a realização desta análise é possível
levantar estratégias para minimizar as perdas identificadas. Algumas estratégias
levantadas com testes em motores à combustão interna podem ser vistas nos estudos
publicados por Ghazikhani et al. (2013) e Özkan (2013).
Para realização da análise exergética, neste estudo, o sistema e seu volume
de controle foram considerados conforme apresentado na Figura 42. As exergias
foram estabelecidas segundo a metodologia estabelecida por TAT, 2011.
O balanço exergético para o volume de controle pré-estabelecido é
determinado pela seguinte equação 11 (MORAN et al., 2010):
93
𝐸��calor + 𝐸��trab = ∑ ��e . 𝜀e - ∑ ��s . 𝜀s - 𝐸��dest (11)
Onde 𝐸��calor é a exergia de transferência associada com a troca de calor pela fronteira
do volume de controle, assumido pelo sistema de arrefecimento e calor superficial do
motor; 𝐸�� trab é a exergia de trabalho, sendo igual à energia elétrica gerada pelo
sistema; �� é fluxo mássico de entrada ou saída; 𝜀 é o fluxo específico de exergia; e
𝐸��dest é a exergia destruída (irreversível).
Para determinar a exergia de transferência associada com a troca de calor pela
fronteira do volume de controle, segundo Equação 12, foi considerado o calor perdido
pelo sistema de arrefecimento (𝑄𝑎𝑟𝑟𝑒𝑓) com o ambiente na temperatura de estado
morto, 𝑇0 = 298 K. O fator 𝑇𝑎𝑟𝑟𝑒𝑓 é a temperatura medida do sistema de
arrefecimento.
𝐸��calor = ∑ (1 −𝑇0
𝑇𝑎𝑟𝑟𝑒𝑓) . 𝑄𝑎𝑟𝑟𝑒𝑓
(12)
A exergia de trabalho foi considerada igual à energia elétrica gerada pelo
sistema para alimentação do banco de carga.
𝐸��trab = Wvc (13)
A exergia de entrada (𝐸��comb), ou seja, exergia do combustível, inclui apenas
a exergia química da mistura utilizada, sendo descrita como:
𝐸��comb = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 . 𝜀comb (14)
94
Onde 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 é o fluxo mássico do consumo de combustível e 𝜀comb é a exergia
específica do combustível, a exergia química pode ser descrita como (KOTAS, 1985):
𝜀comb = 𝑃𝐶𝐼 . 𝜑 (15)
Onde 𝜑 é o fator de exergia química de combustível líquido descrito como (KOTAS,
1985):
𝜑 = 1,0401 + 0,1728 .ℎ
𝑐+ 0,0432 .
𝑜
𝑐+ 0,2169 .
𝛼
𝑐 . (1 − 2,0628 .
ℎ
𝑐 ) (16)
Onde ℎ, 𝑐, 𝑜 𝑒 𝛼 são as frações mássicas de hidrogênio, carbono, oxigênio e enxofre
contido no combustível.
A exergia dos gases de exaustão é estabelecida pela equação 17:
𝜀ex = ∑ 𝑚𝑒𝑥 . (𝜀tm + 𝜀quim)𝑒𝑥 (17)
Onde 𝜀tm e 𝜀quim são as parcelas de exergia termomecânica e química
respectivamente, descritas pelas equações 18 e 19.
𝜀tm = (ℎ − ℎ0) − 𝑇0 . (𝑠 − 𝑠0) (18)
Onde ℎ entalpia especifica; ℎ0 é a entalpia com relação ao valor de referência, estado
motor; 𝑠 a entropia específica; e 𝑠0 é a entropia com relação ao valor de referência.
A exergia química dos gases de exaustão é obtida pela equação 19.
95
𝜀quim = �� . 𝑇0 . ln𝑦
𝑦𝑒 (19)
Onde �� é a constante geral dos gases; 𝑇0 a temperatura de referência; 𝑦 a fração
molar dos componentes de exaustão; e 𝑦𝑒 a fração dos componentes segundo a
composição aproximada dos componentes no ambiente, segundo Tabela 12.
Para as devidas definições, o ambiente foi considerado segundo os autores
Moran e Shapiro (2000).
Tabela 12 - Composição do ar.
Componente Fração Molar (%)
N 75,67000
O 20,35000
CO2 0,03450
H2O 0,03000
CO 0,00070
SO2 0,00020
H2 0,00005
Outros 0,91455 Fonte: Moran e Shapiro (2000).
Para definição da exergia destruída será utilizada a equação 20, na qual a
mesma é estabelecida pela entropia gerada no processo (��) e pela temperatura de
referência (𝑇0), (TAT, 2011).
𝐸𝑥𝑑𝑒𝑠𝑡 = �� . 𝑇0 (20)
A eficiência exergética pode ser descrita como entre a taxa da exergia de
trabalho dividido pela de entrada, estabelecida pela equação 21:
96
Ψ = 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎𝑏
𝐸𝑥𝑐𝑜𝑚𝑏 (21)
Onde 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎𝑏 é a exergia de trabalho e 𝐸𝑥𝑐𝑜𝑚𝑏
é a taxa de exergia de entrada,
definida neste estudo como exergia específica do combustível.
3.2.6 Incertezas de medição
A confiabilidade dos resultados das medições é uma questão fundamental para
o real conhecimento dos procedimentos de medida e análise quantitativa de
resultados observacionais/experimentais (LIMA JUNIOR & SILVEIRA, 2011)
O Comitê Internacional de Pesos e Medidas - CIPM (em francês: Comité
International des Poids et Mesures) recomenda que para definição da incerteza é
necessário utilizar os métodos de avaliação agrupados em “Tipo A” e “Tipo B”. Os
componentes de incerteza podem também ser classificados como "aleatórios" e
"sistemáticos", mas podem se tornar ambíguos em determinadas aplicações. O
propósito da classificação Tipo A e Tipo B é indicar duas maneiras diferentes de
avaliar os componentes de incerteza. Ambos os tipos de avaliação são baseados em
distribuição de probabilidades (FRANCO, 2008).
No estudo em questão serão utilizado os métodos da incerteza Tipo A
estabelecida segundo as medições realizadas, juntamente com a incerteza Tipo B,
provinda dos certificados de calibração para os instrumentos que os possuem, sendo
assim, por fim, considerada a incerteza combinada. A incerteza combinada das
medições será apresentada com os respectivos resultados no Capítulo 4 deste
estudo.
Segue a lista dos instrumentos utilizados nos experimentos com seus
respectivos modelos, propriedades medidas e incertezas de medição consideradas.
97
Tabela 13 - Instrumentos e suas respectivas incertezas de medição.
Modelo do Instrumento (Fabricante) Propriedade Medida Incerteza de Medição
Alicate Amperímetro 303 (Fluke)
Corrente CA 1,8% ±5
Tensão CA 1,5% ±5
Analisador de Gás Tempest 50 (Telegan)
Termopar Tipo K
Oxigênio (O2) ± 2%
Monóxido de carbono (CO) <100 ppm ±5 ppm
>100 ppm ±5% fsd
Dióxido de carbono (CO2 calc) ± 2%
Óxido de Nitrogênio (NOx) <100 ppm ±5 ppm
>100 ppm ±5% fsd
Temperatura dos gases ±0,3%
Temperatura ambiente ±3%
Pressão ±0,5% fsd
Balança Digital 9094-I (Toledo)
Consumo do Combustível ± 3%
Balança Digital AL204 (Mettler Toledo)
Material Particulado (Método Gravimétrico)
± 0,1 mg
Termômetro digital MS6514 (Mastech)
Termopar Tipo K Temperatura do Motor ± 0,2% + 0,5 °C
98
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A seguir são apresentados os dados coletados durante os testes com o grupo
gerador utilizado neste estudo, sendo identificadas as variações de cargas aplicadas
e os percentuais volumétricos das diferentes misturas utilizadas.
Os dados foram reunidos e apresentados em forma de gráficos e tabelas, onde
indicam o desempenho e apresentam os resultados de emissões de poluentes do
motor em função da potência gerada.
4.1 TEMPERATURA DOS GASES DE EXAUSTÃO
Foi realizada a medição da temperatura dos gases de exaustão; a Figura 44
apresenta os diferentes valores encontrados, nas diferentes misturas utilizadas
durante os testes. Esse dado foi importante para definição da quantidade de energia
perdida para o ambiente em forma de calor por meio dos gases de escape. Em geral,
em motores a diesel, essa energia representa uma grande parcela da energia total
disponibilizada pelo combustível.
Figura 44 - Temperatura dos gases de exaustão das misturas em nas diferentes condições de operação.
Quando ocorre uma alteração na carga aplicada ao sistema (9 kW, 18 kW e 27
kW) é possível identificar o acréscimo médio na temperatura quando é acrescída
carga ao sistema. Quando o sistema operou gerando 27 kW houve um aumento de
16
8,6
7 22
5,0
0
28
4,0
0
16
8,0
0 22
2,6
7 27
8,6
7
16
4,6
7 22
1,0
0
28
3,0
0
16
6,6
7 22
0,3
3 27
5,6
7
16
5,0
0 21
9,3
3 27
6,3
3
40
90
140
190
240
290
340
9 kW 18 kW 27 kW
Tem
per
atu
ra (˚C)
B5 B25 B50 B75 B100
99
68% na temperatura em comparação com 9 kW. Isso ocorre devido ao maior consumo
de combustível requerido pelo motor, uma maior taxa de consumo por tempo, maior é
a troca térmica consequente da transferência de calor proveniente do processo de
combustão.
Se analisarmos cada condição de operação em individual, nas três diferentes
cargas geradas pelo sistema, as temperaturas medidas foram levemente maiores para
a mistura B5, mas as variações não são muito significativas. A temperatura levemente
elevada para B5 corresponde com os resultados encontrados por Hazar (2009), onde
comparou biodiesel de canola com diesel puro. O biodiesel pode obter menores
temperaturas nos gases de exaustão, devido ao maior avanço de injeção e menor
atraso da ignição, sendo assim os gases de exaustão tendem a sair com menores
temperaturas, resultado também envidenciado por Öztürk (2015). A resposta da
temperatura nos gases de exaustão também é influenciada pelo valor de PCI do
combustível e pelo desenvolvimento da combustão (BRUNETTI, 2012).
4.2 EMISSÕES GASOSAS
Pela medição dos gases de emissão foi possível identificar o percentual dos
seguintes componentes: óxidos de nitrogênio (NOx), material particulado (MP),
oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO).
As realizações dos ensaios foram em triplicata para cada parâmetro medido,
com a tentativa de representar de forma melhorada os resultados, sendo assim, menor
a proporção da variância total dos resultados. A triplicata cumpriu um regime de 10
minutos de intervalo por ensaio, com o gerador operando de forma contínua durante
os ciclos.
Todos os ensaios foram realizados segundo uma mesma rotina definida, tanto
de partida do gerador, como também dentre intervalos e parada total de operação.
Entre os intervalos de medição foram realizadas as devidas purgas para limpeza dos
instrumentos, reduzindo assim a possibilidade de interferência entre as medições das
diferentes misturas.
100
4.2.1 Emissões de NOx
A produção de NOx cresce de acordo com o aumento da temperatura no interior
da câmara de combustão (BRUNETTI, 2012). Na Figura 45, essa tendência pode ser
observada pelo acréscimo de potência requerida pelo sistema e o consequente
aumento na emissão de NOx. Quando a demanda de carga pelo gerador é acrescida,
em busca de manutenção da rotação estabelecida (1800 rpm), mais combustível é
injetado na câmara de combustão, resultado assim em maiores temperaturas durante
esse processo.
Figura 45 - Emissões de NOx em diferentes condições de operação e alteração das misturas.
Analisando a figura 45 é possível observar nas diferentes cargas utilizadas (9
kW, 18 kW e 27 kW) maiores valores de emissão de NOx do B100 em comparação ao
B5, um incremento de 17,7%. Este fato ocorre pois na composição molecular do
biodiesel possui uma maior quantidade de O2 em comparação com o diesel
convencional, conforme também apresentaram Nabi et al. (2009), Saravanan et al.
(2012) e Piamba Tulcan (2009) em seus estudos. Consequentemente, quanto mais
biodiesel acrescentado, maior será a quantidade de oxigênio ao volume de controle
destinado à combustão. No caso onde o gerador operou com 18kW é apresentado um
padrão mais definido de acréscimo de emissão de NOx quando é acrescido biodiesel
na mistura.
Na condição de operação de carga com 27kW foram apresentados
consecutivos acréscimos na emissão de NOx dentre as misturas B5, B25, B50 e B75,
25
4,3
3
43
3,6
7 6
92
,00
25
4,0
0
44
7,0
0 7
32
,00
24
7,3
3 46
7,3
3 7
57
,00
26
4,6
7 48
9,6
7
82
7,0
0
27
6,3
3 50
7,0
0
81
5,0
0
40
240
440
640
840
1040
9kW 18kW 27kW
(pp
m)
B5 B25 B50 B75 B100
101
mas quando é utilizado o B100, nesta situação, foi medida uma pequena redução na
emissão de NOx (entre os ensaios de B75 para B100).
No caso da operação com 9 kW só foi possível verificar um padrão de
acréscimo na emissão de NOx, respectivamente dentre as misturas B50, B75 e B100.
Valores muito próximos foram encontrados para o B5 e B25 durante a operação com
carga de 9 kW. Sendo não significativo as variações apresentadas na utilização de
baixa carga.
Para os casos que representaram exceções, existe uma grande possibilidade
destes resultados serem devido à influência de fatores externos (temperatura do
combustível, temperatura e umidade do ambiente), como também devido à
concentração de água na mistura, fatores estes não objetos deste estudo, foram
identificados pelos autores Hoekman e Robbins (2012), Koc e Abdullah (2012) e Al-
dawody e Bhatti (2012).
Para um melhor aprimoramento dos resultados, outros métodos de medição,
por exemplo, instrumentos com menores incertezas envolvidas, devem ser utilizados
para a obtenção de resultados mais precisos, afastando assim as dúvidas envolvidas
com o grau de incerteza das medições aqui apresentadas.
4.2.2 Emissão de material particulado
A coleta de material particulado foi realizada através do sistema desenvolvido
especialmente para esse estudo, com uma metodologia própria. O intuito foi utilizar
um sistema capaz de realizar um procedimento de medição para comparativo
experimental em casos de fontes estacionárias. Foram realizadas as medidas em
triplicata como pode ser visto na Figura 46, e indicado cada ensaio pelos numerais I,
II e III. Cada ensaio aqui simulado teve a duração de 30 minutos. Foi escolhido realizar
as medições com a operação do motor na carga máxima disponível nesse estudo (27
kW), para a obtenção da maior quantidade de particulado pelo grupo gerador.
102
Figura 46 - Comparativo das emissões de material particulado com as misturas B5, B50 e B100.
É possível verificar que as misturas com maior proporção de biodiesel emitiram
menos particulado, apresentando um perfil decrescente - como pode ser visto nas
médias em miligramas apresentadas na Figura 46. Uma redução de 34,12% foi
medida na comparação da utilização de B5 para B100. Esse resultado é justificado
devido à maior quantidade de oxigênio presente na composição do biodiesel em
comparação ao diesel. Combustíveis oxigenados afetam diretamente numa queima
mais distribuída com capacidade de gerar menores compostos aromáticos e enxofre,
como também menor tendência ao aparecimento de hidrocarbonetos, reduzindo
assim, a produção de material particulado (MCENALLY e PFEFFERLE, 2005;
PIAMBA TULCAN. 2009).
O sistema para coleta de material particulado aqui desenvolvido demonstrou
ser funcional para a aplicação estabelecida. Não foi realizado testes em outros
motores diesel, mas conclui-se que esse sistema pode ser aplicável a motores de
médio a grande porte devido a grandes vazões emitidas por estes.
4.2.3 Emissões de CO
As emissões de CO apresentam aumento à medida que se opera em cargas
mais baixas (9 kW), Figura 47. Tal fato ocorre devido à baixa eficiência da combustão
(queima incompleta) e consequentemente maiores parcelas de emissão do CO. No
caso dos motores Diesel, um fator para uma menor eficiência de combustão em baixa
carga é devido a um menor volume de combustível injetado nessa condição de
operação. Sendo assim, menor será a pressão interna nas câmaras de combustão,
6,40 4,50 4,00
6,20 5,10
4,00
6,40 4,50 4,50
6,33
4,70 4,17
B5 B50 B100
I II III Média
(mg)
103
ocasionando menores temperaturas internas. As menores temperaturas na câmara
resultam em dificuldades para o processo de combustão. Segundo Pereira (2012), a
redução da emissão de CO tende a ocorrer quando a operação aproxima das faixas
de média e alta carga do motor.
Figura 47 - Emissões de CO em diferentes condições de operação e alteração das misturas.
Quando comparados os resultados entre os combustíveis B100 e B5, é possível
verificar maiores emissões de CO no B100, ou seja, em geral nas composições com
maior porcentagem de biodiesel. Este fator ocorre por uma menor eficiência de
queima resultante da composição do biodiesel, mais viscoso, como também pelo
sistema de injeção ultrapassado do motor utilizado neste estudo (sistema de injeção
mecânico - bomba em linha), o que ocasiona uma injeção mais deficiente, como
também aponta o estudo de Hoekman e Robbins (2011).
Em geral, a literatura revisada apresenta uma redução das emissões de CO
com a utilização de biodiesel comparado ao diesel (FATTAH et al., 2013; FAZAL et
al., 2011). Mas existem estudos que encontraram resultados contrários, nestes casos
os autores justificaram segundo fatores similares apontados anteriormente, como, por
exemplo, a viscosidade e deficiências associadas ao sistema de injeção (XUE et al.
2011; DEVAN e MAHALAKSHMI, 2009).
28
6,0
0
24
4,6
7
15
4,6
7
30
4,3
3
23
8,0
0
14
9,6
7
32
5,0
0
25
6,6
7
15
1,6
7
33
0,3
3
25
2,6
7
15
9,0
0
36
7,6
7
27
1,6
7
17
4,0
0
40
90
140
190
240
290
340
390
440
9kW 18kW 27kW
(pp
m)
B5 B25 B50 B75 B100
104
4.2.4 Percentuais de CO2
Os resultados da análise dos percentuais de CO2 estão em concordância com
a maioria dos testes realizados com motores a diesel utilizando biodiesel, conforme
apresenta Fazal et al. (2011). Na Figura 48 é possível observar uma redução nas
emissões de CO2 quando também é reduzida a carga requerida pelo gerador,
consequencia do menor consumo nessas condições. Os dados apresentados na
Figura 48 são referentes à média dos valores medidos nos ensaios feitos em triplicata
incluindo as incertezas calculadas.
Figura 48 - Resultados de emissões de CO2 (%) em diferentes condições de operação (27kW; 18kW e 9kW) com alteração das misturas.
Na Figura 48 são apresentados valores próximos, sendo possível notar
pequenas variações para os valores do B5 na ordem de 0,1% frente às demais
misturas. Sendo assim, os resultados não apresentam variações consideráveis para
a comparação entre as misturas testadas. Isso se deve ao fato da medição de CO2
ocorrer em percentual (ppm), não sendo assim possível verificar grandes diferenças
aos ensaios realizados.
4.2.5 Percentuais de O2
Na Figura 49 são apresentados os percentuais de emissão de O2 para servir
de referência na verificação do excesso de ar do motor em cada combustível utilizado.
Os dados apresentados na Figura 49 são referentes à média dos valores medidos nos
2,6
0 3,6
0
4,9
0
2,5
0 3,6
0
4,8
7
2,5
0 3,6
0
4,8
3
2,5
0 3,6
0
4,7
7
2,5
0 3,6
0
4,8
7
0
1
2
3
4
5
6
9 kW 18 kW 27 kW
(%)
B5 B25 B50 B75 B100
105
ensaios feitos em triplicata. Neste caso, os valores se alteram segundo as condições
de trabalho do motor, ou seja, potência requerida pelo gerador.
Figura 49 - Resultados de emissões de O2 (%) em diferentes condições de operação (27kW; 18kW e 9kW) com alteração das misturas.
A variação de oxigênio nas emissões dos motores a diesel está relacionada
com mudanças do fator lambda, ou seja, valores do excesso de ar ou de combustível
na combustão. Isso se deve ao fato da medição de O2 ocorrer de forma similar à
medição de CO2, ou seja, em percentual, não sendo assim possível verificar grandes
diferenças aos ensaios realizados e mudanças operacionais realizadas.
4.2.6 Comparativo das emissões
Para melhor relacionar os valores de emissão dos diferentes tipos de
combustível utilizado aqui neste estudo, foi desenvolvida a Tabela 14, contendo o
comparativo dos diferentes parâmetros de poluentes medidos. Para a determinação
da seguinte tabela, foi utilizada a soma das médias das diferentes potências utilizadas
na operação do motor. O estudo da incerteza combinada gerou os resultados que se
encontram no parêntese ao lado dos valores. As porcentagens em vermelho
representam uma quantidade maior da referenciada, que neste caso foi o B5, já no
caso do valor em azul, representa-se uma quantidade menor de emissão do que a
mistura de B5.
17
,40
16
,00
14
,301
7,4
0
16
,00
14
,331
7,4
0
16
,00
14
,301
7,4
3
16
,00
14
,431
7,4
7
16
,00
14
,30
6
11
16
21
9 kW 18 kW 27 kW
(%)
B5 B25 B50 B75 B100
106
Tabela 14 - comparativo dos diferentes parâmetros de poluentes medidos.
Tipo de emissão B100 B75 B50 B25
CO2 0% (± 2%) 0% (± 2%) 0% (± 2%) 0% (± 2%)
CO 18,68% (±9%) 8,27% (±5,67%) 7,00% (±7,22%) 0,97% (±5,88%)
NOX 15,82% (±22%) 14,59% (±21%) 6,64% (±9,6%) 3,84% (±9,6%)
MP -34,12% (±3,22%) - -25,79% (±3,26%) -
4.3 DESEMPENHO PELA ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA
As medições envolvidas nos cálculos da análise do desempenho desse estudo
ocorreram de forma paralela às medições relacionadas aos gases de emissão. Por
método gravimétrico, os valores de consumo foram medidos e calculados. Por meio
dos balanços energético e exergético, juntamente com as medições dos produtos da
combustão e demais outras medições realizadas, foi possível determinar as parcelas
de perdas e eficiências envolvidas no experimento aqui apresentado.
4.3.1 Consumo
Nas Figuras 50 e 51 são apresentados os resultados para o consumo médio e
consumo específico. O consumo médio é identificado segundo a potência gerada e
representa o consumo realizado dentro dos ciclos de operação e medição dos testes,
descritos dentro de 10 minutos.
É possível verificar um padrão dentre todas as condições de operação
realizadas com o grupo gerador, acréscimo de consumo frente ao aumento na
demanda requerida de potência, e também na medida em que o percentual de
biodiesel é acrescido na mistura. Resultados similares foram encontrados em 54
artigos de 62 estudados por Xue, Grift e Hansen (2011), ou seja, quase 87% das
pesquisas referenciadas demonstraram aumento de consumo, a medida que foi
acrescido biodiesel na proporção da mistura final do combustível.
107
Figura 50 - Consumo médio de combustível em diferentes condições de operação e alteração das
misturas.
Na Figura 51, o consumo específico apresenta um perfil contrário ao consumo
total, com os valores maiores em menores cargas aplicadas, isso ocorre devido ao
perfil de operação estar longe do ponto ótimo de operação do motor, ou seja, em
baixas cargas o grupo gerador consome mais do que em altas cargas para gerar a
mesma quantidade de energia. O consumo específico é representado, sendo a
parcela de combustível consumido para geração da carga requerida.
Figura 51 - Consumo específico de combustível em diferentes condições de operação e alteração das
misturas.
66,7 68,3 70,7 73,3 76,0
91,3 94,0 98,7 101,3 105,3118,0 120,0 126,3 131,3 136,3
B5 B25 B50 B75 B100
Co
nsu
mo
méd
io (
g/m
in)
9 kW 18 kW 27 kW
44
2,1
6
45
6,8
5
47
3,3
4
48
9,3
3
50
7,8
4
30
5,6
4
31
3,1
1
32
9,5
8
33
9,5
9
35
3,7
5
26
2,8
8
27
3,0
8
28
2,2
9
29
3,8
8
30
4,8
8
B5 B25 B50 B75 B100
Co
nsu
mo
esp
ecíf
ico
(g/
kW.h
)
9 kW 18 kW 27 kW
108
4.3.2 Comparativo do consumo específico
A Tabela 15 a seguir foi desenvolvida para ser instrumento de comparação
entre as diferentes misturas de combustível utilizada no estudo com relação ao
acréscimo sofrido no seu consumo. A base para comparação percentual foi o B5,
mistura essa que possui maior proporção de diesel. Os valores estão sendo
apresentados dentre a média dos consumos das diferentes potências simuladas no
estudo (9kW, 18kW e 27kW).
Tabela 15 – Comparação do consumo específico das misturas diesel/biodiesel e o aumento em relação ao B5.
Combustíveis Média do consumo de combustível (g/kWh)
Aumento em relação ao B5 (%)
B5 336,90 0,00
B25 347,68 1,03
B50 361,74 1,07
B75 374,27 1,11
B100 388,82 1,15
4.3.3 Energia dos combustíveis
A energia de entrada ao sistema foi considerada unicamente a energia provinda
do combustível, estabelecida pelo poder calorífico inferior multiplicado pela massa de
combustível consumida no sistema. Na Figura 52 são apresentados os valores de
energia provida ao sistema para as diferentes condições de operação (9 kW, 18 kW e
27 kW) com diferentes tipos de mistura utilizados.
109
Figura 52 – Energia fornecida pelas misturas nas diferentes condições de operação.
Na Figura 52, o B100 possui um fornecimento maior de energia do que o B5,
na condição de operação com 18 kW e 27 kW, devido a uma compensação de maior
consumo de combustível. Esse padrão não se repete na operação com 9 kW de carga,
evidenciando o menor aproveitamento da combustão em operação a baixa carga. No
geral, é possível identificar uma grande proximidade nos valores das diferentes
misturas quando comparadas a mesma condição de operação.
4.3.4 Eficiência energética
Quando comparado diretamente o B5 com o B100, é possível perceber que
para os casos operados com carga de 18 kW e 27 kW, a maior proporção de biodiesel
resultou em uma leve redução na eficiência energética, mas não significativa quando
é analisado a tendência. Na condição operada em 9 kW ocorreu um leve aumento na
linha de tendência, conforme os resultados apresentados na Figura 53.
Figura 53 – Eficiência energética em diferentes condições de operação e alteração das misturas.
48
,00
65
,75
84
,95
47
,79
65
,78
85
,37
47
,70
66
,59
85
,21
47
,65
65
,82
85
,32
47
,50
65
,82
85
,19
40
50
60
70
80
90
9kW 18kW 27kW
(kW
)
B5 B25 B50 B75 B100
18,85% 18,78% 18,86% 18,88% 18,93%
27,25% 27,38% 27,00% 27,22% 27,18%
31,71% 31,38% 31,52% 31,43% 31,50%
Efic
iên
cia
Ener
géti
ca (
%)
B5 B25 B50 B75 B100
9 kW
18 kW
27 kW
110
Foi constatada uma margem muito próxima nos valores da eficiência energética
para todos os níveis de cargas operadas (9 kW, 18 kW e 27 kW), devido a diversas
influências causadas pela adição de biodiesel e seu impacto na combustão. Apesar
do PCI do biodiesel ser mais baixo, houve uma compensação por um maior consumo
e consequentemente uma disponibilidade de mais oxigênio para a combustão, provida
pela adição do biodiesel.
No caso operado com 9 kW, para todas as diferentes proporções de mistura, é
possível identificar um resultado bem inferior as demais cargas operadas (18 kW e 27
kW), resultados estes devido à baixa eficiência conhecida de motores diesel quando
operam em baixa carga (BRUNETTI, 2012).
No perfil de eficiência energética (Figura 53), é possível analisar que nas
condições de carga com 18 kW e 27 kW a tendência apresentada é de leve redução
na eficiência energética com o aumento da proporção volumétrica de biodiesel na
mistura, isso ocorre devido ao empobrecimento do combustível e redução da relação
C/H na mistura, quanto maior é a proporção de biodiesel. Mas quando o gerador foi
operado com 9 kW, é interessante perceber que os resultados apresentam uma
tendência de um leve acréscimo da eficiência energética para as misturas com maior
proporção de biodiesel. Essas tendências opostas podem ocorrer, pois o biodiesel
possui propriedades que podem influênciar com maior ou menor impacto a depender
da condição imposta, como é o caso da viscosidade, qualidade de pulverização e
atomização na câmara de combustão, relacionada a injeção nas diferentes condições
de operação (XUE et al., 2011; DEVAN e MAHALAKSHMI, 2009).
Resultados distintos são possíveis de serem encontrados na literatura, quando
se trata do impacto na eficiência energética com a utilização de biodiesel. Na sua
maioria apresentam uma redução na eficiência energética quando acrescido biodiesel
na mistura (CARRERETTO et al., 2004; MUTILLO et al., 2007), sendo possível
também encontrar resultado de um leve aumento após uma maior adição de biodiesel
(GUMUS e KASIFOGLU, 2010).
Para uma melhor análise dos resultados de eficiência energética seria
interessante também realizar a análise particular do padrão da chama; dos tipos de
hidrocarbonetos queimados, pressão e temperatura da câmara de combustão, para
assim melhor indicação dos dados analisados, influências estas apontadas por Xue et
al. (2011).
111
4.3.5 Análise energética
Como resultado da análise dos fatores energéticos, segundo as medições e
cálculos propostos, foi possível elaborar a Tabela 16, identificando, assim, todas as
parcelas envolvidas dentro do processo de combustão do gerador.
Tabela 16 - Resultado da análise energética das misturas utilizadas no experimento.
Misturas Potência
elétrica de referência(kW)
Energia fornecida pelo
combustível (kW)
Perda pelo sistema de
arrefecimento (kW)
Perda pelos gases de exaustão
(kW)
Demais perdas
envolvidas (kW)
Eficiência energética
(%)
B5
9 48,00 16,31
13,33 9,36 18,85%
18 65,75 18,69 12,75 27,25%
27 84,95 25,23 16,41 31,71%
B25
9 47,79 13,71 8,77 18,78%
18 65,78 16,31 18,57 12,9 27,38%
27 85,37 18,23 23,83 31,38%
B50
9 47,70 9,03 13,36 18,86%
18 66,59 16,31 13,64 18,64 27,00%
27 85,21 18,07 23,83 31,52%
B75
9 47,65 8,70 13,64 18,88%
18 65,82 16,31 13,08 18,43 27,22%
27 85,32 18,39 23,62 31,43%
B100
9 47,50 8,59 13,60 18,93%
18 65,82 16,31 13,06 18,45 27,18%
27 85,19 18,52 23,36 31,50%
Nas Figuras 54, 55 e 56 são apresentados, respectivamente para as potências
de referência: 9 kW, 18 kW e 27 kW, os diagramas dos fluxos térmicos em percentual,
identificados na análise energética.
112
Figura 54 – Diagrama dos fluxos térmicos segundo análise energética para geração de 9 kW.
Figura 55 – Diagrama dos fluxos térmicos segundo análise energética para geração de 18 kW.
Figura 56 – Diagrama dos fluxos térmicos segundo análise energética para geração de 27 kW.
33,98% 34,13% 34,19% 34,23% 34,34%
27,77% 28,69%18,93% 18,25% 18,09%
19,40% 18,40%28,01% 28,64% 28,64%
18,85% 18,78% 18,86% 18,88% 18,93%
B5 B25 B50 B75 B100
24,81% 24,79% 24,49% 24,78% 24,78%
28,43% 28,23%20,48% 19,87% 19,84%
19,52% 19,59% 28,02% 28,13% 28,20%
27,25% 27,38% 27,00% 27,22% 27,18%
B5 B25 B50 B75 B100
Perda pelo sistema de arrefecimentoPerda pelos gases de exaustãoDemais perdas envolvidasPotência efetiva
19,20% 19,11% 19,14% 19,12% 19,15%
29,70%21,35% 21,21% 21,55% 21,74%
19,39%28,16% 28,13% 27,90% 27,61%
31,71% 31,38% 31,52% 31,43% 31,50%
B5 B25 B50 B75 B100
113
4.3.6 Análise exergética
Pela análise exergética realizada foi possível verificar uma grande proximidade
nos valores da eficiência nas diferentes proporções de biodiesel na mistura. Na
maioria dos casos o B5 apresenta os valores mais elevados em eficiência exergética.
Tabela 17 - Resultado da análise exergética das misturas utilizadas no experimento.
Misturas Potência
elétrica de referência(kW)
Exergia do combustível
(kW)
Exergia destruída
(kW)
Exergia dos gases de exaustão (kW)
Exergia de arrefecimento
e perdas do volume de
controle (kW)
Eficiência exergética
(%)
B5
9 51,23 31,86 7,89 2,44 17,66
18 70,18 39,50 9,88 2,89 25,53
27 90,68 52,53 9,32 2,89 29,71
B25
9 51,07 31,58 8,12 2,39 17,58
18 70,28 39,54 9,84 2,90 25,63
27 91,22 50,48 9,65 4,29 29,37
B50
9 51,04 31,59 8,05 2,40 17,63
18 71,25 40,35 9,95 2,98 25,23
27 91,17 48,43 12,28 3,60 29,46
B75
9 51,06 31,53 8,15 2,37 17,62
18 70,53 39,81 9,87 2,93 25,41
27 91,42 48,75 12,20 3,65 29,33
B100
9 50,98 31,46 8,15 2,37 17,64
18 70,63 39,92 9,89 2,93 25,33
27 91,42 48,87 12,05 3,67 29,35
Além da eficiência exergética e da destruição de exergia devem ser
destacados: o nível de exergia química e a razão de conversão para a exergia
termomecânica, devido o trabalho realizado pelo sistema. Neste caso, as misturas
com maiores proporções de biodiesel geraram valores levemente acima da exergia
dos gases de exaustão. As Figuras 57, 58 e 59 apresentam os diagramas das
exergias, em percentual, respectivamente para as potências de referência: 9 kW, 18
kW e 27 kW.
114
.
Figura 57 – Diagrama de fluxo segundo análise exergética para potência de referência 9 kW.
Figura 58 – Diagrama de fluxo segundo análise exergética para potência de referência18 kW.
Figura 59 – Diagrama de fluxo segundo análise exergética para potência de referência 27 kW.
62,19% 61,84% 61,89% 61,75% 61,71%
15,40% 15,89% 15,76% 15,97% 15,99%
4,76% 4,68% 4,71% 4,65% 4,64%
17,66% 17,58% 17,63% 17,62% 17,64%
B5 B25 B50 B75 B100
Eficiência exergéticaExergia de arrefecimento e perdas do volume de controleExergia dos gases de exaustãoExergia destruída
56,28% 56,26% 56,63% 56,44% 56,52%
14,07% 14,00% 13,96% 13,99% 14,01%4,12% 4,12% 4,18% 4,15% 4,14%
25,53% 25,63% 25,23% 25,41% 25,33%
B5 B25 B50 B75 B100
Eficiência exergéticaExergia de arrefecimento e perdas do volume de controleExergia dos gases de exaustãoExergia destruída
57,93% 55,34% 53,12% 53,33% 53,46%
10,28% 10,58% 13,47% 13,35% 13,18%
3,19% 4,71% 3,95% 3,99% 4,02%
29,71% 29,37% 29,46% 29,33% 29,35%
B5 B25 B50 B75 B100
Eficiência exergéticaExergia de arrefecimento e perdas do volume de controleExergia dos gases de exaustãoExergia destruída
115
5 CONCLUSÃO
A análise da combustão de misturas com biodiesel e diesel envolve diversos
fatores capazes de modificar significantemente os resultados experimentais. O
conhecimento das propriedades físico-químicas do diesel e biodiesel em questão é
importante para potencializar a eficiência da combustão, e a redução na emissão de
poluentes em motores diesel.
Com os resultados encontrados é possível identificar o grau de favorecimento
da adição de biodiesel ao diesel, na eficiência energética e exergética da mistura. As
misturas com menor proporção de biodiesel (B5 e B25) demonstraram uma melhor
eficiência energética quando operados em 18 kW e 27 kW. Para a condição de
operação com 9 kW de carga, a tendência foi contrária. O biodiesel possui
propriedades e características da composição elementar que influênciam de forma
diferenciada a depender da condição imposta. A viscosidade do biodiesel e sua maior
parcela molecular de oxigênio atuaram de forma a compensar os resultados
encontrados. No caso da eficiência exergética foi encontrado um padrão de maior
eficiência para as misturas de B5 (nas condições de 9 kW e 27 kW) e B25 (quando
operado em 18 kW) frente as demais composições. Os valores de exergia
apresentaram margens bem próximas devido o balanciamento causado pelo biodiesel
e seus benefícios nas diferentes condições de operação e proporções estabelecidas.
Com relação aos resultados de emissão, as misturas com maiores proporções
de biodiesel geraram maiores emissões de CO e NOx. A adição de biodiesel resultou
em menor emissão de material particulado, nas diferentes cargas simuladas no
experimento.
O sistema de injeção do motor e a não existência de um turbocompressor no
experimento influenciaram na qualidade da mistura ar-combustível. O que também foi
apontado nos estudos de Fazal et al. (2011). Consequentemente estes fatores
impactaram de maneira mais negativa o biodiesel, em relação ao diesel, devido a suas
propriedades físicas.
Outro tipo de atribuição que pode influenciar os resultados, de forma menos
significativa, é o tipo de matéria prima para a produção do biodiesel. No caso deste
estudo foi utilizada uma composição oriunda de 83% de gordura bovina e 17% óleo
de soja. No artigo de revisão, Xue et al. (2011) encontraram diferenças na ordem entre
116
+1,49% (positivo) até -0,64% (negativo) de potência em testes com biodiesel de
diferentes matérias primas, operando nas mesmas condições.
Dentre os objetivos propostos, este estudo também buscou desenvolver, nas
dependências do Laboratório de Energia e Gás da UFBA, um sistema para coleta de
material particulado. O sistema em questão foi funcional para a aplicação requerida
no grupo gerador utilizado no estudo. Sendo este um sistema viável de baixo custo
para a medição de material particulado, algo bastante válido financeiramente frente
aos sistemas de alto custo determinados pelas normas APTD-0581 e ASTM D2986-
71.
Foram investigadas as principais legislações ambientais vigentes, frente as
emissões de poluentes de grupo geradores a diesel. Constatou-se a não existência
de legislação nacional específica que determine e restrinja as emissões de poluentes
para esta aplicação. Portanto, se faz necessário, segundo as preocupações
ambientais atuais, estabelecer limites de poluentes emitidos para esse tipo de fonte
energética. Neste estudo o biodiesel apresentou valores reduzidos na emissão de
material particulado, quando comparado ao diesel. Desta forma, caso existisse uma
legislação bem definida, seria interessante considerar para atendimento destes
limites, o biodiesel como opção de combustível.
117
6 PROPOSTA PARA TRABALHOS FUTUROS
Propõe-se para trabalhos futuros, como também para a continuação deste, a
investigação e desenvolvimento dos seguintes tópicos:
1. Realizar estudo comparativo de emissão e desempenho com a utilização
dos diferentes sistemas de injeção em motores diesel;
2. Desenvolver ensaios comparativos com o uso de biodiesel a partir de
diferentes matérias primas em grupos geradores;
3. Desenvolver ensaios de emissão e desempenho em grupo geradores
contemplando toda a faixa de carga suportada pelo sistema (no estudo aqui
desenvolvido foram contempladas apenas baixa e média cargas);
4. Realizar análise exergoeconômica no estudo relacionado;
5. Desenvolver estudo para identificação do grau de influência dos fatores
externos, como, por exemplo, umidade ambiente e a temperatura do combustível, no
desempenho e emissão de grupos geradores;
6. Realizar estudo de desempenho e emissão de grupo gerador
contemplando a análise em particular do padrão da chama, dos tipos de
hidrocarboneto queimado, pressão e temperatura da câmara de combustão.
118
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