Espacios. Vol. 36 (Nº 17) Año 2015. Pág. 12

Vantagens ambientais e econômicas advindas da utilização de biodiesel em praças de pedágio

Environmental and economic benefits from the use of biodiesel in toll plazas

Carlo Alessandro CASTELLANELLI 1

Recibido: 14/05/15 • Aprobado: 15/07/2015

Contenido

1. Introdução

2. Metodologia

3. Praças de pedágio estudadas

4. Geradores de energia elétrica estudados

5. Resultados e discussões

6. Considerações finais

Referências

1. Introdução

Atualmente a sociedade brasileira apresenta uma forte preocupação com o setor energético nacional. Em todos os segmentos busca-se, a cada dia, a otimização dos recursos energéticos por meio da redução do consumo, seja isso feito por meio de simples conscientização ou pela aplicação de tecnologias e conceitos de eficiência energética. O racionamento de energia elétrica é exemplo disso, pois em 2001 quando veio a público a crise do setor elétrico, fez crescer em todo o país o sentimento de economia dessa fonte.

A geração de energia elétrica vem crescendo por motivos econômicos e de segurança no fornecimento aos consumidores, que, todavia, tem a possibilidade, cada vez mais acentuada, de gerar sua própria energia elétrica a partir do óleo diesel. No entanto para Corrêa et al. (2001), razões ambientais relativas ao uso de combustíveis fósseis ─ tendência de crise e escassez relacionada ao fato desse tipo de combustível não ser renovável somada a sua iminente elevação de preços ─ têm aumentado a demanda por novas tecnologias de geração de energia não-poluentes como é o caso do biodiesel que tem como fontes as plantas oleaginosas e as gorduras animais. Neste contexto, o Brasil não constitui exceção na busca de fontes alternativas de energia.

O fato de o Brasil possuir uma enorme gama de matérias-primas para produção de biodiesel, deve incentivar os estudos que gerem parâmetros de utilização do biodiesel em motores a ignição por compressão. É importante lembrar, também, dos efeitos do racionamento de energia elétrica que o país foi submetido, desde junho de 2001 até meados de 2002. Esse racionamento trouxe à tona, novamente, a necessidade de se pesquisar fontes energéticas que, além de atuar como alternativas aos combustíveis fósseis e à energia nuclear, sejam menos poluentes e renováveis.

Neste sentido, esse trabalho apresenta um estudo realizado com o intuito de verificar a viabilidade de implantar o biodiesel como fonte de alento para a geração de energia elétrica em três praças de pedágio da região central do Rio Grande do Sul. Esse estudo contemplou uma avaliação do biodiesel originado do óleo de fritura usado, um exame experimental do rendimento de motores quando alimentados pelo biodiesel, uma análise de redução de poluentes e uma avaliação dos resultados com o objetivo de verificar as vantagens de geração de energia nos postos de pedágio a partir dos motores examinados.

1.1.  Biodiesel

O uso de óleos vegetais em motores de combustão interna teve início com Rodolf Diesel utilizando óleo de amendoim em 1900. No entanto, razões de natureza econômica acabaram levando ao completo abandono a utilização dessa alternativa como combustível. Somente na década de 70, essa idéia foi retomada, pois o mercado de petróleo nesse período passou por dois súbitos desequilíbrios entre oferta e demandas mundiais conhecidos como primeiro e segundo choques do petróleo. Em respostas a essas crises, o mercado sentiu a necessidade de diminuir a dependência do petróleo, o que estimulou o investimento no desenvolvimento de tecnologia de produção e no uso de fontes alternativas de energia (OLIVEIRA, 2001).

Nessa busca de fontes alternativas de energia redutoras de poluição, capazes de gerar empregos e com custos competitivos, o biodiesel apresentou-se como candidato natural a um programa global e que também vem ganhando espaço nas discussões energéticas do Brasil. A Agência Nacional do Petróleo do Brasil definiu, por meio da portaria 225 de setembro de 2003, o biodiesel como o conjunto de ésteres de ácidos graxos oriundos de biomassa, que atendem a especificações determinadas para evitar danos aos motores.

O biodiesel, que representa uma evolução da tentativa de substituir o óleo diesel por biomassa que teve seu início no aproveitamento de óleos vegetais "in natura", é resultante da reação de óleos vegetais novos ou usados, gorduras animais, com um intermediário ativo, formado pela reação de um álcool com um catalisador, processo conhecido como transesterificação (Figura 1).

Figura 1: Reação de transesterificação

Fonte: Ceplac.

Assim, os produtos da reação química são um éster (o biodiesel) e o glicerol. No caso da utilização de insumos ácidos, como esgoto sanitário ou ácidos graxos, a reação é de esterificação e não há formação de glicerol, mas de água simultaneamente ao biodiesel. Os ésteres têm características físico-químicas muito semelhantes às do diesel, conforme demonstram as experiências realizadas em diversos países (ROSA et al, 2003) o que possibilita a utilização desses ésteres em motores de ignição por compressão (motores de ciclo diesel).

A reação de transesterificação pode empregar diversos tipos de álcoois, preferencialmente os de baixo peso molecular, sendo os mais estudados os metílico e etílico. Freedman et al. (1986) demonstraram que a reação com o metanol é tecnicamente mais viável do que com etanol. O etanol pode ser utilizado desde que anidro (com teor de água inferior a 2%), visto que a água atuaria como inibidor da reação. A separação da glicerina obtida do subproduto, no caso da síntese do éster metílico, é resolvida mediante simples decantação, ou seja, mais facilmente do que com o éster etílico, processo que requer um maior número de etapas.

Quanto ao catalisador, a reação pode utilizar os do tipo ácido ou alcalino ou, ainda, pode ser empregada a catálise enzimática. Entretanto, geralmente a reação empregada na indústria é feita em meio alcalino, pois apresenta melhor rendimento e menor tempo de reação que o meio ácido, além de gerar menos problemas relacionados à corrosão dos equipamentos. Já os triglicerídeos precisam ter acidez máxima de 3%, o que eleva seus custos e inviabiliza o processo em países onde o óleo diesel mineral conta com subsídios cruzados, como no Brasil.

Segundo Laforgia et al (1994) a reação de transterificação proporciona uma melhora significativa das seguintes propriedades físico-químicas: redução da viscosidade, um pequeno acréscimo no número de cetano e poder calorífico próximo ao do óleo diesel convencional, com isso consegue-se uma boa qualidade da combustão nos motores diesel.

Sob o aspecto ambiental, o uso de biodiesel diminui significativamente as emissões de poluentes, quando comparado ao óleo diesel, podendo atingir 98% de redução de enxofre, 30% de aromáticos e 50% de material particulado e, no mínimo, 78% de gases do efeito estufa (ROSA et al, 2003).

1.2. Biodiesel obtido do óleo de fritura

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Metodologia

Para o desenvolvimento desse trabalho realizou-se um estudo de caso com abordagem qualitativa complementado posteriomente com dados quantitativos. Segundo Gil (2002), um estudo de caso caracteriza-se pelo  estudo profundo e exaustivo de um ou poucos objetos, de maneira que permita seu amplo e detalhado conhecimento. Para Salomon (2001), enquanto os dados quantitativos de uma pesquisa são utilizados para descrever uma variável quanto a sua tendência central e sua freqüência, os dados qualitativos são basicamente úteis para quem busca entender o contexto onde algum fenômeno ocorre.

Esse estudo de caso realizado iniciou-se em decorrência de numa oportunidade identificada para implantar o biodiesel como combustível em geradores de energia elétrica. Por meio de uma análise em diferentes setores da economia, foi possível identificar as praças de pedágio em estudo, as quais foram objeto da pesquisa. Partiu-se então para os experimentos em laboratório nos quais foram testados motores idênticos aos das praças de pedágio. Após a realização dos experimentos, os resultados foram avaliados e serviram de base para verificar a viabilidade de utilizar-se o biodiesel nas praças de pedágio.

3. Praças de pedágio estudadas

A empresa envolvida nesse estudo de caso possui três praças de pedágio, cada uma delas com um gerador de energia elétrica capaz de suprir toda sua demanda. Atualmente os motores dos geradores são alimentados por óleo diesel e são ligados apenas quinze minutos por dia para fins de teste, isto é, no restante do tempo, as praças utilizam a energia elétrica da concessionária. As praças possuem um consumo mensal de energia elétrica conforme as médias anuais da Tabela 2. Este consumo representa um custo variável mensal de acordo com as médias anuais também apresentadas na Tabela 2. Os valores das tarifas energéticas foram calculados com nase nos dados da Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE), sendo o valor da tarifa vigente a partir de 02 de março de 2015.

Tabela 2: Características do consumo de energia elétrica por praça de pedágio
Fonte: Elaboração própria.

A marca e o modelo dos motores dos geradores de cada praça de pedágio, assim como a capacidade máxima horária de geração de energia elétrica e o consumo de óleo diesel médio horário, para atender a demanda das respectivas praças de pedágio, estão representados na Tabela 3.

Tabela 3: Características dos geradores de energia elétrica das praças de pedágio
Fonte: Elaboração própria.

4. Geradores de energia elétrica estudados

Testes com motores do mesmo modelo e marca dos usados nas praças foram realizados em bancada dinamométrica, utilizando somente o biodiesel B100, ou seja, aquele obtido do óleo de fritura já aproveitado de uma rede de fast food, sem misturas com o diesel convencional, o que proporciona à empresa uma maior vantagem econômica.

Como a análise se baseia basicamente na questão econômica e ambiental os testes nos motores se limitaram ao consumo de diesel e biodiesel e na emissão de ambos. Os testes foram realizados durante 40 horas com um grupo gerador de 81 kVA/hora e com outro 180 kVA/hora de potência nominal respectivamente para operação contínua. Os geradores eram equipados com motores MWM D2296 e MWM S10T.

As emissões gasosas foram avaliadas por um analisador contínuo de gases marca Tempest, modelo 100. As concentrações medidas foram: CO2, HC, NOX. Para análise dos resultados utilizou-se um estudo elaborado pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro – COPPE/UFRJ que indicou US$0,25 como custo médio de produção por litro de biodiesel, a partir do óleo de fritura, o baixo custo se deve ao fato de que o óleo de fritura geralmente é obtido gratuitamente de restaurantes, lanchonetes e de outros estabelecimentos.

5. Resultados e discussões

5.1 Prospecções das vantagens econômicas do uso do biodiesel

A partir dos rendimentos obtidos dos motores em bancada, pode-se observar que o consumo de biodiesel aumentaria em relação ao diesel convencional nas praças de pedágio (Tabela 4). De acordo com os dados coletados e analisados, pode-se observar também que o desempenho do motor operando com os dois combustíveis são próximos. O biodiesel testado mostrou uma breve desvantagem em relação ao consumo específico diante do diesel. Este fato pode ser explicado, devido ao poder calorífico do biodiesel ser inferior ao do diesel fóssil.

Tabela 4 – Diferença de consumo dos geradores de energia elétrica quando abastecidos com diesel e biodiesel
Fonte: Elaboração própria.

Já no aspecto econômico, considerando-se o valor do diesel tendo como referencia março de 2015 (ANP), e a cotação do dólar do dia 16 de abril de 2015, verificou-se que a geração de energia a partir do diesel convencional  não é economicamente viável devido ao fato de a empresa não possuir tarifação diferenciada nos horários de ponta e sim a tarifa energética constante, como um consumidor doméstico convencional. A geração por meio de geradores diesel torna-se atraente para os consumidores que optam pela tarifação horo-sazonal, que estabelece um custo de energia bastante alto no horário de ponta e bastante baixo no horário fora de ponta, bem como um único valor de demanda contratada, podendo, portanto, proporcionar uma maior redução de custos, desde que a empresa não opere no horário de ponta e sua energia seja obtida de geradores diesel.

No entanto, devido ao baixo ou inexistente valor da matéria-prima do biodiesel em questão, a sua geração se apresentou viável à empresa se comparado ao consumo energético advindo das concessionárias, já considerando os rendimentos respectivos (Tabela 5).

Tabela 5 – Comparação de custos entre as fontes de energia elétrica, de diesel e de biodiesel
Fonte: Elaboração própria.

Para completar o estudo de viabilidade econômica em questão, foi necessário ainda considerar alguns custos na geração de diesel/biodiesel, tais como:

1. Custo de Manutenção: cálculos feitos por meio do aplicativo Life Cycle Cost da Cummins, apontam para uma média de 12,00 dólares por MWh gerado, para as máquinas acima de 500kW, podendo oscilar em torno da média com mais ou menos 4,00 dólares (8 a 16 dólares). Inclui deslocamentos do mecânico até 50 km da sede, revisões periódicas de 250, 500, 1000, 5000 e 10000  horas de operação.
2. Consumo de lubrificante: considerando 0,3% do consumo do combustível, para 0,27 litros de combustível, temos 0,0008 litros por kWh ou 0,81 litros por MWh. A custo de 7,50 reais por litro, resulta em R$ 6,075 por MWh (dados de março de 2015).

Sendo assim, obteve-se um custo extra de R$132,075 para a praça 1, R$121,275 praça 2 e R$142,875 para a praça 3, podendo variar entre a geração de diesel e biodiesel devido as suas diferentes propriedades.

5.2 Prospecção das vantagens ambientais do uso do biodiesel

Com base nos resultados das medições verificou-se que houve a redução do uso do biodiesel obtido do óleo de fritura usado, em comparação ao diesel convencional (Tabela 6). Importante considerar que atualmente o país possui a adição de 5% de biodiesel ao diesel convencional, conformes normas do Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel.

Tabela 6 – Diminuição das emissões nos motores testados com o biodiesel B100 em comparação ao diesel
Fonte: Elaboração própria.

Além na redução das emissões dos poluentes CO2, HC e Nox, que contribui para mitigar  o efeito estufa, o emprego do biodiesel como combustível, em substituição total ou parcial ao diesel, também está associado a outros relevantes benefícios, como a redução das emissões de enxofre e de compostos aromáticos tóxicos (como o benzeno), pois o biodiesel não contém esses contaminantes.

Verificou-se um leve odor do óleo de frituras expelido pelo escapamento, sendo que uma notável diferença pôde ser verificada em relação a emissão de fumaça, cuja redução média foi 36% no motor equivalente da praça 1, 40,5% no motor equivalente da praça 2,  e 38% no motor equivalente da praça 3, medido em escala Bosch.

A obtenção desse tipo de energia por meio de geradores também faz com que as empresas contribuam com a preservação do meio ambiente, sendo que se o consumo de energia fornecida pelas concessionárias aumentar a ponto do sistema não conseguir acompanhar tal demanda, novas usinas para a geração de energia, inclusive hidrelétricas, terão de ser construídas, causando malefícios ambientais. Os impactos advindos da utilização do diesel fóssil podem ser mitigados pela utilização de combustíveis limpos, como é o caso do biodiesel obtido do óleo de fritura usado.

Leite (2005) afirma que a implantação de hidrelétricas pode provocar impactos ambientais na hidrologia, no clima, na erosão e no assoreamento, na sismologia, na flora, na fauna e na alteração da paisagem. Soma-se a isso a inundação de cidades, ocasionando o deslocamento de populações, o eventual mau uso da água, que é um bem de múltipla utilização, e a possibilidade de emissão de gás metano, pela decomposição orgânica gerada pelos alagamentos.

Atualmente, as áreas consideradas de preocupação ambiental são aquelas em que há a poluição da água, do ar, visual e sonora ou por resíduo sólido e perigoso. É preciso, a qualquer custo, otimizar o uso da energia, da água e da matéria-prima, como forma de manutenção da biodiversidade do planeta, com a manutenção da qualidade dos mananciais, do solo e do ar, mediante a conservação e o uso parcimonioso das fontes de energia não-renováveis.

Ferraz et al (1995), demonstram que, dada a capacitação produtiva e tecnológica existente no país, a questão ambiental oferece a oportunidade das empresas se tornarem ambientalmente responsáveis perante a sociedade.

6. Considerações finais

A utilização de biodiesel como combustível tem apresentado um potencial promissor no mundo inteiro, em primeiro lugar, pela sua enorme contribuição ao meio ambiente, com a redução qualitativa e quantitativa dos níveis de poluição ambiental, e, em segundo lugar, como fonte estratégica de energia renovável em substituição ao óleo diesel e outros derivados do petróleo.

A auto-suficiência energética obtida de geradores diesel é uma alternativa que visa não somente benefícios econômicos, mas também ambientais. Entretanto, é preciso uma visão sistêmica por parte das empresas, para verificar se esse tipo de geração se apresenta economicamente viável e é preciso procurar alternativas aos combustíveis fósseis. O biodiesel gerado de óleos alimentares usados, destinado a substituição do diesel convencional nos geradores, constitui-se em um ótimo exemplo dessa gestão ambiental ampla que deve vigorar.

Constatou-se com base nos resultados obtidos nesse trabalho, que a obtenção de energia por meio de geradores diesel, utilizando o biodiesel oriundo do óleo de fritura usado, pode vir a ser uma alternativa viável tanto economicamente, quanto ambientalmente. O óleo de fritura é um resíduo que pode ser facilmente obtido, conforme Costa Neto (2000), estima-se que somente nos restaurantes industriais da região metropolitana de Curitiba, são mensalmente geradas cerca de 100 toneladas de óleos de fritura, cujos destinos, muitas vezes, são as redes de esgoto, os rios e riachos e que acabam causando prejuízos tanto econômicos quanto ambientais.

Considera-se que dois terços do preço final da produção do biodiesel seja devido ao custo da matéria-prima, dessa forma o biodiesel fabricado cuja fonte são os óleos de fritura usados, pode vir a ser um combustível de baixo custo e com inúmeras vantagens ambientais. No entanto, é fundamental continuar a investigação nesse campo de tecnologia para que métodos eficazes de produção de combustível limpo sejam cada vez mais difundidos.

O enorme volume de resíduos produzidos nos centros urbanos é insustentável, e urge reduzir e encontrar soluções criativas para tal volume de resíduos. Agravando esse fato, no Brasil, boa parte do que é gerado não é coletado e do que é coletado, a maior parte é disposta de forma inadequada.

Concluiu-se nesse estudo que o meio ambiente pode andar de mãos dadas com a economia, para isso basta que passemos a conhecer e entender os impactos ambientais, que possibilita a evolução gradativa da qualidade dos produtos e, conseqüentemente, cria novas oportunidades para as empresas.

Referências

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1. Mestre em Engenharia de Produção (UFSM) Universidade Federal de Santa Maria - UFSM