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| Capítulo 1 - Introdução |
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| 1.1. Biocombustíveis - O biodiesel |
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| A maior parte da energia consumida no mundo é obtida a partir da queima de carvão e de derivados de petróleo, como a gasolina, o querosene e o óleo diesel, este último amplamente utilizado para movimentar ônibus, caminhões e embarcações. |
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| Considerando-se que há previsões de escassez das reservas petrolíferas, os altos preços do barril de petróleo no mercado internacional e a necessidade de redução da emissão de gases de efeito estufa e poluentes, torna-se imprescindível a diversificação da matriz energética brasileira e a utilização em maior quantidade de combustíveis que não sejam de origem fóssil, como os biocombustíveis. |
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| Conforme Lei n°. 9478/97, biocombustível é o combustível derivado de biomassa renovável, para uso em motores a combustão interna ou conforme regulamento, para outro tipo de geração de energia, que possa substituir, parcial ou totalmente, combustíveis de origem fóssil. |
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| Atualmente, um dos biocombustíveis mais pesquisados é o biodiesel. |
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| Segundo a ANP [1] (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), o biodiesel é um combustível composto de mono-ésteres alquílicos de ácidos graxos de cadeia longa derivados de óleos vegetais ou gorduras animais. |
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| Ele é produzido através da reação de um óleo vegetal ou gordura animal com um álcool (etanol ou metanol) na presença de um catalisador. |
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| Tal reação gera glicerina além do biodiesel. |
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| Dessa forma, o biodiesel é um combustível renovável derivado de óleos vegetais, como girassol, mamona, soja, dendê e demais oleaginosas ou de gorduras animais. |
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| É biodegradável, e substitui total ou parcialmente o óleo diesel nos motores de ciclo diesel, com a vantagem de não requererem adaptações mecânicas dependendo da proporção de biodiesel misturado ao óleo diesel. |
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| 1.2. |
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| Motivação |
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| O estudo de possíveis combustíveis alternativos derivados de biomassa não é um novo tópico em nosso país. |
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| Podendo ser observado que no Brasil há algumas décadas foram feitos esforços e leis foram criadas para incentivar a mistura de biodiesel no óleo diesel da frota de veículos terrestres, e álcool do bagaço da cana na gasolina. |
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| O biodiesel foi introduzido na matriz energética brasileira com a publicação da lei 11.097/2005. |
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| A partir da publicação dessa lei, o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB) foi elaborado através de uma parceria entre um grupo de trabalho interministerial, encarregado de apresentar estudos sobre a viabilidade de utilização de óleo vegetal para produção de biodiesel. |
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| Os estudos de viabilidade foram coordenados pelo Ministério de Ciência e Tecnologia, e em janeiro de 2008 iniciou-se a obrigatoriedade da adição de 2% de biodiesel ao óleo diesel. |
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| Essa proporção foi aumentada em janeiro de 2010 para 5% de biodiesel, fazendo que os veículos abastecidos em território brasileiro utilizem um combustível com 95% de óleo diesel e 5% de biodiesel. |
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| Entretanto, a maior fonte de produção de biodiesel no Brasil é a soja que também é fonte de alimento. |
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| Essa dupla função da soja gera muitas discussões acerca do uso desta para a produção de combustível. |
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| Somando-se a esse fato a demanda cada vez maior por combustíveis renováveis, a busca por novas fontes de óleo para a produção de biodiesel é cada vez maior. |
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| Além disso , algumas características conferem ao biodiesel importância técnica , ambiental e econômica , são elas [ 1 ] : O biodiesel é energia renovável . |
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| As terras cultiváveis podem produzir uma enorme variedade de oleaginosas como fonte de matéria-prima para o biodiesel. |
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| Segundo ANP um dos princípios do marco regulatório para produção de biodiesel é o aproveitamento das oleaginosas de acordo com as diversidades regionais, fortalecendo as potencialidades de cada região para produção da matéria-prima. |
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| É importante para a balança comercial já que cofere segurança energética ao país. |
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| Ou seja, diminui a dependência do diesel externo. |
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| 1.3. Objetivo |
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| É inegável a importância dos motores ciclo diesel na matriz energética brasileira, e do biodiesel como alternativa à substituição parcial do óleo diesel. |
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| Contudo, ensaios em motores de combustão interna são necessários para validação do uso de misturas de biodiesel ao diesel de origem mineral. |
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| Dessa forma, o objetivo desse trabalho é pesquisar e estudar a viabilidade operacional da utilização de biodiesel de melaço e vinhaça de cana-de açúcar em motores diesel. |
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| Capítulo 2 - Revisão da Literatura |
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| 2.1. Biodiesel em Motores Diesel |
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| Os principais produtores e consumidores do biodiesel são a Alemanha, França e Itália, possuindo subsídios para incentivar as plantações de matérias-primas oleaginosas em áreas não exploradas, mais isenção de 90% de impostos. |
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| Já no Brasil, de acordo com o Ministério das Minas e Energia, cerca de 800 milhões de litros de biodiesel devem ser produzidos por ano, o que contribuiria para reduzir as importações de diesel de petróleo, estimados em 4 bilhões de litros. |
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| Portanto, a produção de biodiesel atinge positivamente a balança comercial brasileira, visto que cerca de 20% do óleo diesel consumido no país é importado. |
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| Segundo Grando et al. [2], a crescente demanda por combustíveis renováveis como alternativa aos combustíveis fósseis e a maior preocupação internacional com o aquecimento global, amplificada com a entrada em vigor do Protocolo de Kyoto em 2005, evidencia os benefícios dos biocombustíveis. |
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| O biodiesel contribuirá para melhorar as condições ambientais a partir da redução da emissão de gases poluentes e particulados. |
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| A utilização de óleos vegetais em motores já ocorre há alguns anos no Brasil, em Curitiba testes com Biodiesel foram realizados no sistema de transporte coletivo da cidade na proporção de 20% de biodiesel para 80% de óleo diesel, e o ônibus circulou em condições normais de trabalho, apresentando desempenho semelhante ao do uso do diesel convencional (Zagonel et al. [4]). |
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| O estudo do uso de diferentes tipos de combustíveis alternativos, produzidos pela mistura de óleos vegetais com óleo diesel B2 (2% de biodiesel e 98% de óleo diesel), em um motor diesel, foi realizado por Ali et al. |
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| [5] em bancada dinamométrica. |
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| Os testes mostraram que o desempenho do motor foi similar ao obtido com o óleo diesel indicando que não haveria efeito no desempenho do motor após 200 horas do funcionamento do dinamômetro. |
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| Constataram que o motor operou satisfatoriamente por 148 horas, e a potência, o torque e o consumo específico mantiveram-se constantes. |
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| A análise do óleo do motor a intervalos de 45 horas mostrou que a redução na necessidade após 100 horas de operação foi típica de uma operação normal com diesel. |
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| O desgaste do motor, avaliado com base na concentração de metais no óleo lubrificante, permaneceu dentro do limite normal recomendado para aquele tipo de motor. |
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| Barbosa et al. |
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| A condução de trabalhos nessa linha de pesquisa auxiliará a identificar e solucionar problemas que possam vir a ocorrer em decorrência da utilização, breve ou prolongada, de maiores porcentagens de biodiesel misturado ao óleo diesel. |
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| 2.2. Biodiesel de Melaço e Vinhaça de Cana-de-Açúcar |
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| O biodiesel utilizado neste estudo foi o fornecido pela empresa Ouro Fino Participacoes e Empreendimentos S/A. |
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| O processo de obtenção deste se inicia com a extração de leveduras alimentadas com melaço e vinhaça de cana-de-açúcar. |
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| De posse do óleo se segue a rota convencional de transesterificação [8] para se produzir o biodiesel como representado na Figura 2-1. |
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| Há pouca literatura relacionada a produção de biodiesel a partir desta matéria-prima e menos ainda ensaios de emissões e eficiência deste em motores diesel, porém muito se produziu na literatura a respeito do uso de biocombustíveis de segunda geração e da importância destes atualmente. |
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| A rota convencional de transesterificação, citada a cima, também chamada de alcoólise (ou até metanólise caso utilizado o metanol) é reação química entre um éster e um álcool da qual resulta um novo éster e um álcool, mostrada na Figura 2-2. |
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| Este processo tem sido largamente usado para reduzir a viscosidade elevada de triglicéridos como afirma Lobo et al [9]. |
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| A reação de transesterificação é representada também de forma simplificada na Figura 2-3 [10]. |
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| A cana-de-açúcar, matéria prima do biodiesel em estudo, é largamente explorada no país devido a forte política nacional de incentivo a produção de bioetanol. |
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| A produção do bioetanol baseia-se na fermentação do mosto obtido a partir do caldo e do melaço da cana-de-açúcar por leveduras como apresentado por Paulillo et al [11]. |
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| Rendimentos industriais acima de 90% têm sido obtidos por várias destilarias brasileiras, o que em parte justifica o sucesso da produção e utilização do bioetanol no país. |
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| Este processo gera enormes quantidades de bagaço e a vinhaça. |
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| Os valores estimados destes resíduos produzidos no Brasil, só em 2011/12, são de 154 milhões de toneladas de bagaço (50% umidade) e 300 bilhões de litros de vinhaça. |
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| O bagaço é utilizado principalmente para produção de energia e eletricidade através da queima em caldeiras. |
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| Quanto à vinhaça, seu uso principal tem sido a ferti-irrigação das áreas cultivadas com cana-de-açúcar. |
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| De qualquer forma, o transporte de grandes volumes de vinhaça representa um custo elevado para a indústria. |
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| Tecnologias para reduzir o volume de vinhaça têm sido desenvolvidas, como é o caso das fermentações com alto teor alcoólico. |
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| A transformação da vinhaça em produtos de alto valor agregado representa um desafio cientifico e tecnológico para o setor sucroalcooleiro. |
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| Para vencer estes desafios é necessário identificar oportunidades para a indústria reduzir seus custos de produção com menor impacto na natureza. |
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| Além disso , estas soluções devem ainda ser de fácil aplicabilidade para setor sucroalcooleiro. |
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| Dentre as oportunidades vislumbradas estão a produção de biodiesel a partir da vinhaça. |
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| O excesso de vinhaça associado ao melaço, produzido também a partir do caldo (Figura 2-4), pode ser usado para produzir lipídeos e posterior produção de biodiesel, reduzindo o consumo de óleo diesel como demonstrado pelo BNDES [12]. |
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| Isso é possível através da elaboração de um processo de biorefinaria integrada à produção do etanol. |
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| Para isso, é necessário selecionar leveduras que sejam capazes de crescer em um ou em ambos os substratos. |
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| Figura 2-4 – Rota Convencional de Produção de Etanol |
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| Os lipídeos produzidos serão extraídos das células e usados na produção de biodiesel. |
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| A produção do biodiesel é realizada através de da rota convencional de transesterificação. |
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| Desta forma, a vinhaça passa a ter um destino a mais por ser tratado como uma matéria-prima geradora de riqueza adicional, já que a sua utilização não implica a redução da produção de etanol. |
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| Capítulo 3 - Aparato Experimental |
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| 3.1. Motor Utilizado |
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| Conforme mencionado anteriormente, para a obtenção dos valores experimentais foi utilizado um motor monocilíndrico de injeção direta. |
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| Todos os instrumentos de medição que serão apresentados nesta seção, bem como seus modelos, faixa de medição e incertezas de medição associadas, estão descritos no Apêndice A. |
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| A Erro! |
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| Fonte de referência não encontrada. |
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| mostra, resumidamente, o esquema do aparato experimental. |
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| Basicamente, a aquisição de dados foi realizada por dois grandes grupos de equipamentos de medição. |
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| São eles: - o sistema de medição relacionado ao torque, potência e rotação e ao controle de temperaturas (em várias partes do motor); - o sistema de medição da percentagem dos gases de descarga. |
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| Figura 3-1 - Esquema simplificado das medições no experimento |
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| Fisicamente o aparato utilizado foi disposto como mostrado na Figura 3-2. |
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| 3.3. Dinamômetro e Sensores de Temperatura |
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| O dinamômetro utilizado é da marca DINAMATIC, do tipo corrente parasita (ou de absorção), onde o usuário pode simular o torque desejado através do sistema de aquisição de dados utilizado (DinMon). |
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| O software do sistema DinMon possui dois canais de saída analógica, um para controle da rotação e outro para controle do torque. |
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| Ainda possui oito canais de temperatura compatíveis com termopar tipo K. |
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| Através deste sistema foram medidas: rotação, torque, potência e temperaturas (água de resfriamento do motor, ar de admissão e gases de descarga). |
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| A Figura 3-3 e Figura 3-4 mostram os sensores de temperatura instalados no motor e a tela do sistema de aquisição de dados DinMon: 3.4. Medição da Massa de Combustível Utilizada por Ciclo |
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| A massa de combustível utilizada em cada ciclo é obtida através do consumo do motor, em gramas por segundo (g/s). |
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| O reservatório de combustível é colocado sobre uma balança de precisão ( Figura 3-5 ) e a cada minuto é anotada a leitura da balança , até que se completem três minutos , obtendo-se assim , por diferença entre as anotações , a vazão de combustível ( ) em g/s. . |
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| Considerando-se que o ciclo do motor é realizado a cada duas rotações completas do eixo de manivelas, chega-se a expressão da massa de combustível (em kg) utilizada em cada ciclo: (3.1) |
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| 3.5. Medição dos Gases de Descarga |
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| O medidor é capaz de medir os seguintes gases: O2, CO2, CO, NOx e HC (hidrocarbonetos não queimados), sendo estes dois últimos medidos em partes por milhão (ppm), e os demais em percentagens do total (sem a água). |
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| O medidor envia as informações ao sistema de aquisição de dados MMV2000 (Figura 3-7), as quais são processadas e interpretadas, enviando ao usuário as informações quantitativas dos gases de descarga. |
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| Figura 3-7 - Foto da Tela do Sistema de Aquisição de Dados MMV2000 |
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| 3.6. Cálculo das Incertezas |