Operação de um Grupo Gerador Diesel Utilizando Óleo Vegetal Bruto
como Combustível
Soares, Guilherme F.W.*; Vieira, Leonardo S.R.; Nascimento, Marcos V. G.
CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
Av. Hum, s/n - Cidade Universitaria/Ilha do Fundao
21.941-590 Rio de Janeiro, RJ
Fax: (021)598-2136; Tel.: (021)598-2354; e-mail*: [email protected]
RESUMO
ABSTRACT
Na
eletrificação
de
pequenas
comunidades
isoladas
utilizando
grupos
geradores, o emprego de óleos vegetais
produzidos localmente pode ser uma alternativa
vantajosa em relação ao diesel. Com esta
perspectiva, avaliou-se o funcionamento de um
grupo gerador diesel convencional utilizando-se
óleo de palma bruto (óleo de dendê) como
combustível. O grupo gerador avaliado tinha
potência de 76kVA/60kW, com motor MWM
D229-6 de injeção direta. Os testes tiveram a
duração total de 400 horas. Os problemas
encontrados na operação com óleo vegetal foram:
1) necessidade de troca mais freqüente do óleo
lubrificante; 2) acumulação de partículas na
bomba injetora e carbonização das câmaras de
combustão e bicos injetores, causando perda
gradual de potência ao longo dos ensaios, todavia
reversível com limpeza. Projeções indicaram que,
devido aos maiores custos de manutenção, o óleo
vegetal seria vantajoso em relação ao diesel
apenas em localidades onde este custasse no
mínimo 25% a mais que o óleo vegetal. O
diferencial requerido pode ser maior do que isto e
depende das condições específicas. Uma análise
global destes ensaios e de outros similares
reportados indica que é possível se operar com
óleo vegetal a níveis de manutenção semelhantes
ao diesel. Para isto é necessário que alguns
parâmetros de qualidade do óleo vegetal sejam
mais controlados do que o se exige na
comercialização normal do óleo bruto. Também,
o emprego de motores de injeção indireta seria
desejável, na medida de sua disponibilidade.
When supplying electricity to small
isolated villages by means of generator sets, the
use of locally produced vegetable oil as fuel
instead of diesel can be economically atractive
due to difficulties and increased costs associated
with the transportation of diesel to these remote
locations. With this perspective in mind, the
technical and economical aspects related to the
operation of a typical generator set using raw
palm oil as fuel were evaluated during a test of
400 hours. The generator set employed is rated
76kVA/60kW for continuous operation and is
equiped with a MWM D229-6 engine with direct
injection, 6 cylinders and unit displacement of
0.98 liters. The main problems found during the
operation with vegetable oil were: 1) early
contamination of the lubricant oil with unburned
vegetable oil, requiring more frequent changes of
the lubricant oil than usual; 2) carbonization of
combustion chambers and particle deposition in
the injection pump and nozzles, causing a gradual
loss of power. This was reversible with cleaning.
Due to increased maintenance costs when
operating with vegetable oil, it was estimated that
it could be competitive with diesel only in
localities where the price of the latter is 25% or
more above the price of vegetable oil. A
comprehensive analysis of the results from these
tests and from other similar tests reported
indicates that a tighter control of the vegetable oil
quality, along with the employment of indirect
injection engines, would be desirable to decrease
maintenance costs to the level normally found
when operating with diesel.
INTRODUÇÃO
No final da década de 70 e primeira
metade da década de 80 várias pesquisas foram
feitas no Brasil, no escopo do programa
governamental OVEG, visando a substituição do
óleo diesel por óleos vegetais em motores
automotivos [1-3]. Via de regra, os resultados não
foram considerados compensadores. Concluiu-se
que, para se obter uma operação confiável, seria
necessário utilizar motores especiais (como o
Elsbett) ou efetuar transformações de grande
monta no óleo vegetal. A transformação tida
como mais viável, neste caso, é a
transesterificação. Trata-se da reação do óleo
vegetal com álcool metílico ou etílico, obtendo-se
um éster comumente denominado de biodiesel.
No processo, utiliza-se 20 a 30 litros de álcool
para cada 100 litros de óleo vegetal, obtendo-se
100 litros de biodiesel e um resíduo composto
basicamente por glicerina. Devido às dificuldades
e custos associados às soluções em vista, e devido
à estabilização dos preços de derivados de
petróleo em níveis aceitáveis, considerou-se que
não valia a pena prosseguir no programa de
substituição do diesel pelo óleo vegetal.
Experimentos realizados desde então,
principalmente na Alemanha, têm demonstrado
que é possível obter-se uma operação confiável
com óleo vegetal não transformado, mesmo em
motores diesel convencionais [4-6]. Para isto, é
necessário que o óleo vegetal seja aquecido para
diminuir sua viscosidade. Além disto, cada ciclo
de funcionamento do motor deve começar com
diesel, passar para óleo vegetal após alguns
minutos quando o motor já estiver quente, e
operar os minutos finais também com diesel para
“lavar” o sistema injetor e impedir que resíduos
de óleo vegetal esfriem dentro da bomba injetora
e
principalmente
nos
bicos
injetores.
Adicionalmente, motores com injeção indireta
(pré-câmara) são mais recomendáveis para esta
aplicação por serem mais tolerantes ao óleo
vegetal.
Considera-se, em princípio, que a
utilização de óleos vegetais em motores
estacionários, como nos grupos geradores, é
menos problemática do que em motores
automotivos, por operarem com rotação constante
e baixa (1800rpm) e por serem sujeitos a menos
variações de carga ao longo da operação. Além
disto, nos motores estacionários os inconvenientes
relacionados à utilização de dois combustíveis,
como mencionado anteriormente, são muito
menos significativos do que nos motores
automotivos. Finalmente, ao contrário dos
motores automotivos, a utilização de motores
estacionários para suprimento de energia elétrica
a comunidades isoladas estaria prevista para
locais de difícil acesso ao diesel, e portanto com
maior justificativa econômica para o uso do óleo
vegetal como combustível.Todos estes fatores
motivaram a realização deste trabalho, onde se
procura avaliar a viabilidade técnica e econômica
de se operar um grupo gerador utilizando-se óleo
vegetal “in natura” como combustível.
METODOLOGIA
Os testes foram realizados com um grupo
gerador de 76kVA/60kW de potência nominal
para operação contínua. O gerador era equipado
com um motor MWM D229-6, 90hp a 1800rpm,
6 cilindros, cilindrada unitária de 0,98 litros,
injeção direta. A escolha deste motor foi ditada
por considerações de faixa de potência, preço e
disponibilidade de peças e suporte técnico nas
várias regiões do Brasil. Um motor com injeção
indireta seria mais adequado à operação com óleo
vegetal, mas este tipo de motor tem poucos
modelos em oferta no Brasil, os quais apresentam
potência limitada a ~15hp a 1800rpm.
O óleo vegetal escolhido para os testes
foi o óleo de palma (óleo de dendê) integral. O
dendê tem a maior produtividade entre as
oleaginosas, em kg de óleo/hectare.ano, e é muito
bem adaptado na Região Norte, onde se encontra
o maior número de comunidades isoladas que
poderiam se beneficiar da sua aplicação
energética..
O grupo gerador foi operado pelas
primeiras 50 horas exclusivamente com diesel,
para “amaciamento” e ajustes. Posteriormente
passou a ser operado com óleo vegetal, por 400
horas. Os seguintes itens foram observados:
• A potência elétrica produzida era dissipada
em resistências elétricas imersas em tanques
de água;
• A potência elétrica máxima adotada para os
testes foi de aproximadamente 48,5kW. Para
simular uma operação prática, ciclos de carga
de aproximadamente 12,5kW, 25kW, 37kW
e 48,5kW eram aplicados em tempos iguais
ao longo de um dia de ensaio. Em cada dia, o
gerador funcionava por cerca de 7h;
•
•
A cada dia de ensaio, o motor funcionava
com diesel nos 5 a 10 minutos iniciais e
novamente nos 5 a 10 minutos finais,
conforme colocado anteriormente;
O óleo vegetal entrava na bomba injetora
previamente aquecido para diminuir sua
viscosidade. Experiências foram feitas com
aquecimento a 55oC, 80oC e 100oC.
Ao
longo
dos ensaios,
fez-se o
monitoramento freqüente dos seguintes itens:
temperatura
do
combustível,
óleo
lubrificante, água de refrigeração e gases de
escape; consumo de combustível; potência
fornecida. Análises do óleo lubrificante e
inspeções dos bicos injetores e câmaras de
combustão foram realizadas em intervalos
pré-determinados ou quando detectados
indícios de irregularidades no funcionamento
do motor.
RESULTADOS
Indicadores prévios:
Destacam-se, a seguir, alguns dos índices
mais relevantes tipicamente obtidos para o óleo
de dendê, comparados com os respectivos valores
típicos do óleo diesel [2,7]:
Poder calorífico superior
Óleo diesel: 10.700 kcal/kg
Óleo de dendê: 9.450 kcal/kg
Ponto de fulgor
Óleo diesel: 42oC (mínimo para diesel marítimo =
60oC)
Óleo de dendê: > 344oC
Índice de cetano
Óleo diesel: 60 (mínimo especificado = 45)
Óleo de dendê: 42
Densidade a 20/4oC
Óleo diesel: 0,83
Óleo de dendê: 0,91
Viscosidade a 37,8oC
Óleo diesel: 3,6 cSt (faixa especificada: 1,6 a 6,0
cSt)
Óleo de dendê: 38cSt
Obs.: a viscosidade do óleo de dendê diminui com
o aumento de temperatura, como mostrado na
Figura 1.
Destilação
No ensaio normalizado de destilação com
temperatura crescente, todo o volume de óleo
diesel destila gradativamente, começando em
120oC e terminando em 380 oC, aproximadamente.
Com o óleo de dendê, por outro lado, a destilação
só começa por volta de 200oC e aumenta com a
temperatura de forma menos gradual do que o que
se observa com o diesel. Além disto, o óleo de
dendê sofre craqueamento (decomposição) por
volta de 330oC – 340oC, antes de ter destilado
~80% do seu volume. O craqueamento leva à
formação de gomas, que podem contribuir para a
presença de depósitos aderentes nas partes
internas do motor.
Resíduo de carbono Ramsbottom
Este índice reflete grosseiramente a tendência de
formação de depósitos carbonáceos nas câmaras
de combustão do motor. Na especificação do
diesel, o ensaio deve ser feito em uma amostra
correspondendo aos 10% finais de destilação,
uma vez que esta fração final gera maior teor de
carbono residual. Com o ensaio feito nestas
condições, o resíduo de carbono obtido para o
diesel fica limitado a 0,25% - 0,3%. No caso do
óleo de dendê, o ensaio da fração final de
destilação fica impossibilitado devido ao
craqueamento já mencionado. Uma comparação
substituta pode ser feita com os índices obtidos
em ensaios de amostras globais, sem destilação:
óleo diesel: 0,05% ou menos, de resíduo de
carbono
óleo de dendê: 0,20% - 0,25% de resíduo de
carbono
Resultados principais:
Dados os índices acima, as maiores dificuldades
do uso do óleo de dendê em substituição ao diesel
são previamente sinalizadas pelos aspectos
relativos ao ponto de fulgor, perfil de destilação,
resíduo de carbono e viscosidade. Este último
parâmetro afeta a qualidade da pulverização do
combustível pelos bicos injetores.
100
Viscosidade, cSt
•
dendê
diesel
80
60
40
20
0
0
20
40
60
Temperatura, C
80
100
Figura 1 – Viscosidade x Temperatura para o óleo de dendê e
o óleo diesel.
Durante as primeiras 50 horas de ensaio,
o óleo de dendê foi aquecido a 55 oC. O exame das
câmaras de combustão ao final deste período
mostrou que havia ocorrido uma formação de
depósitos considerada dentro do normal para
motores diesel, embora que em maior quantidade
do que no período inicial de “amaciamento”
deste motor, operando exclusivamente com
diesel. Os bicos injetores apresentavam
coqueificação (deposição de carbono) acentuada
nas suas pontas, mas sem qualquer obstrução dos
orifícios de injeção e sem prejuízo para o
funcionamento correto dos bicos injetores.
apresentou decréscimo de uns 3% em relação ao
consumo a 100oC. Uma comparação direta com
relação à carbonização das câmaras não pôde ser
feita porque, após as primeiras 50 horas com o
óleo a 100oC, as câmaras não foram mais limpas
nem abertas para inspeção até próximo ao final
dos testes. Por outro lado, esta inspeção final
mostrou uma tendência à estabilização da
quantidade de carbonização ao longo do tempo.
Ou seja, a carbonização acumulada em quase 300
horas de operação era pouco maior que a
acumulada em 50 horas, a julgar por avaliação
visual.
Após limpeza dos bicos e das câmaras de
combustão, o motor passou a ser operado com o
óleo de dendê entrando na bomba injetora a
100oC. Ao final das 50 horas seguintes, observouse que o aumento de temperatura havia sido
benéfico do ponto de vista do consumo de
combustível e também da carbonização das
câmaras de combustão. O consumo específico, em
litros/kWh, caiu cerca de 12%. A carbonização
nas câmaras se apresentava menos volumosa e
menos úmida do que quando operando com o óleo
de dendê a 55oC. Por isto,
continuou-se
trabalhando com o óleo de dendê a 100oC pelas
120 horas seguintes.
A seguir são descritas as características e
ocorrências mais relevantes com relação ao
funcionamento do motor com óleo de dendê:
0.55
0.5
litros/kWh
No entanto, durante o funcionamento do
motor com o óleo de dendê a 100oC, os bicos
injetores apresentaram problemas de vedação
interna ou aprisionamento da agulha, ou ainda de
obstrução parcial dos orifícios pela coqueificação
externa, por duas vezes em curto período de
tempo. O motivo destas ocorrências não ficou
claro. Para que o óleo chegasse à bomba injetora a
100oC, era necessário aquecê-lo a 120oC em um
pequeno aquecedor elétrico, parcialmente aberto,
colocado imediatamente antes da bomba de
alimentação e portanto antes dos filtros de
combustível. É possível que este aquecimento
tenha induzido a oxidação do óleo e formação de
gomas no mesmo. Ou então, uma vez que o óleo a
100oC – 120oC mostrou-se capaz de danificar os
filtros de combustível por dissolução da resina
adesiva, é possível que parte desta resina fosse
carreada até os bicos injetores. De todo modo, a
temperatura de entrada do óleo na bomba injetora
foi reduzida para 80oC, permanecendo assim pelas
180 horas restantes até o final dos testes. Dentro
deste período, não se observaram mais problemas
com os bicos injetores. Quanto a outros aspectos,
a redução de temperatura de 100 oC para 80oC teve
efeito ligeiramente benéfico ou aparentemente
irrelevante: O consumo específico de combustível
Consumo específico – A Figura 2 apresenta o
consumo específico de diesel e óleo de dendê em
vários níveis de carga do gerador. Os percentuais
de carga são referentes à carga máxima
rotineiramente empregada nos ciclos diários de
testes (cerca de 48,5kW). A 55oC o dendê
apresentou um consumo cerca de 15% maior do
que o diesel. A 80oC-100oC o consumo de dendê
decresceu e ficou praticamente igual ao do diesel,
em litros/kWh. Uma vez que a densidade do óleo
de dendê é cerca de 10% maior que a do diesel,
isto significa que o consumo de dendê, em kg de
óleo/kWh, ficou ainda cerca de 10% maior que o
diesel. Isto está de acordo com o que seria de se
esperar, dado que o poder calorífico do óleo de
dendê, em kcal/kg, é cerca de 10% menor que o
poder calorífico do diesel.
diesel
dendê, 55C
dendê, 100C
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0
25
50
75
100
% da carga máxima
Figura 2 – Consumo específico do dendê a 55oC e 100oC e do
diesel em função do percentual de carga máxima.
Análise dos gases de escape - Os teores de CO,
CO2 e NOx na operação com dendê são próximos
aos da queima com diesel e em todas as ocasiões
A Petrobrás-BR estipula uma viscosidade mínima
de 70 cSt a 40 oC, para utilização deste óleo. Um
outro critério alternativo empregado é trocar o
óleo quando a sua viscosidade a 100oC cai mais
de 25% em relação à viscosidade do óleo novo à
mesma temperatura. Há ainda uma regra
aproximada, segundo a qual o óleo deve ser
trocado quando seu índice de basicidade total é
reduzido a menos da metade do seu valor inicial
[9]. Por estes critérios, a tendência que se
verificou no motor operando com dendê foi a
necessidade de troca de óleo em intervalos na
faixa de 100 a 200 horas. O intervalo máximo
permissível não chegou a ser determinado com
exatidão nestes ensaios, e de qualquer modo pode
vir a ser estendido com o uso de óleos mais
viscosos e/ou de especificação mais nobre. Por
garantia, estipulou-se que a troca de óleo deveria
ser feita a cada 100 horas. Este resultado não
chega a ser insatisfatório, uma vez que o manual
do fabricante do motor recomenda a troca do óleo
lubrificante a cada 200h (operando com diesel).
Viscosidade a 40C, cSt
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
Tempo, h
80
100
120
Figura 3 – Viscosidade a 40oC do óleo lubrificante em função
do número de horas em operação desde a última
troca.
16
Viscosidade a 100C, cSt
Óleo lubrificante - O óleo lubrificante era
analisado a cada 50 horas de operação e trocado,
quando fosse o caso. Um dos problemas mais
freqüentemente mencionados quando se utiliza
óleo vegetal como combustível em motores diesel
é a contaminação do óleo lubrificante pelo óleo
vegetal. Esta contaminação é verificada pelo
aumento de volume do óleo lubrificante no cárter
do motor e pela variação da viscosidade e índice
de basicidade total (TBN) do lubrificante. As
Figura 3 e 4 mostram as variações tipicamente
medidas para a viscosidade a 40 oC e 100oC,
respectivamente, do óleo lubrificante utilizado
nos ensaios (SAE 15W40). A Figura 5 mostra a
variação do índice de basicidade total (TBN).
120
14
12
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo, h
Figura 4 – Viscosidade a 100oC do óleo lubrificante em função
do número de horas em operação desde a última
troca.
TBN, mg KOH/g
medidas ficaram dentro do aceitável. A opacidade
com o dendê se mostrou sempre maior do que
com o diesel, mas sempre aquém dos limites
máximos estipulados no Brasil para motores
diesel.
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
Tempo, h
Figura 5 – Índice de basicidade total (TBN) do óleo
lubrificante em função do número de horas em
operação desde a última troca.
Comportamento do motor ao longo do tempo –
No início dos testes, a potência elétrica máxima
atingível com o gerador foi de 56kW e 50,5kW,
respectivamente, utilizando diesel e óleo de dendê
como combustível. Ao longo do tempo, a
potência máxima atingível pelo grupo gerador foi
decrescendo gradualmente até 47,5kW por volta
de 350 horas de ensaio com óleo de dendê, ou
seja, um decréscimo de aproximadamente 6%.
Simultaneamente, notou-se que a temperatura dos
gases de escape para uma determinada potência
subiu gradativamente ao longo dos testes. Ao
contrário do que seria de se esperar, não houve
aumento de consumo específico de combustível.
De certo modo, a queda de potência foi o
problema mais relevante observado na operação
do grupo gerador. Nesta consideração está-se
levando em conta que o problema de
coqueificação com obstrução dos bicos injetores
foi acidental, conforme explicado anteriormente.
Ao mesmo tempo, as intervenções efetuadas para
troca dos bicos injetores apenas produziram um
efeito pequeno e transitório com relação ao
problema da queda de potência e ao efeito
aparentemente associado de elevação de
temperatura da exaustão.
serviço do fabricante Bosch para exames e
eventuais recuperações. Os bicos injetores
funcionavam normalmente. A bomba injetora não
pôde ser ensaiada como recebida, antes de
qualquer limpeza, para não contaminar o óleo de
teste utilizado na oficina. Verificou-se algum
desgaste dos elementos da bomba injetora, mas
considerado normal e sem necessidade de troca.
Houve apenas limpeza dos componentes. Havia
um acúmulo de sujeira relativamente acentuado
no pequeno filtro de combustível que fica
instalado imediatamente antes da bomba de
alimentação. Técnicos da oficina autorizada
Bosch observaram que isto poderia causar vazão
insuficiente de combustível. Ressaltaram ainda
que este filtro tem uma área de filtração reduzida,
e tende a entupir com facilidade. Por isto ele é
comumente trocado, em veículos, por um filtro
maior.
A Figura 6 mostra a evolução da
temperatura de exaustão para a potência de
48,5kW ao longo dos ensaios. Algumas medições
foram feitas, na realidade, em potências
ligeiramente diferentes desta, mas a extrapolação
para 48,5kW pôde ser feita facilmente nestes
casos. Isto porque, em uma dada condição do
motor, a temperatura de escape é perfeitamente
relacionada à potência através de uma curva
exponencial.
Novos
ensaios
foram
realizados
subseqüentemente com dendê e diesel para aferir
a influência da limpeza dos bicos injetores e da
bomba injetora no desempenho do motor. Esta
influência foi mais substancial do que a da
limpeza das câmaras. A potência máxima
atingível na operação com dendê chegou a
50,5kW e as temperaturas de escape a 48,5kW,
tanto para o dendê quanto para o diesel, desceram
aos níveis originais do início dos testes, conforme
mostrado na Figura 6. Ou seja, foram reduzidas
de 545oC para 505oC (dendê) e 485oC (diesel).
Na Figura 6, nota-se que há uma
tendência global de subida da temperatura,
independente das intervenções para troca de bicos
injetores, realizadas em t = 160h e t = 220h. Por
volta de t = 350h, procedeu-se à uma manutenção
geral para investigar as causas da perda de
potência e do aumento de temperatura dos gases
de escape. Primeiramente, determinou-se que a
compressão a frio do motor estava com o valor
normal, mostrando que não havia problemas de
vedação nas câmaras. A inspeção visual do
interior das câmaras (então acumulando cerca de
300 horas desde a última limpeza) mostrou que
havia ocorrido pouca evolução na carbonização.
Além disto, não havia quaisquer danos (riscos)
nas paredes dos cilindros. As câmaras foram
descarbonizadas e novos ensaios com dendê e
diesel foram efetuados em seguida, notando-se
algum efeito: a potência máxima atingível com
dendê subiu de 47,5kW para 48,5kW-49,0kW,
enquanto que a temperatura de escape a 48,5kW
foi reduzida de 565oC para 545oC.
Após os ensaios acima, os bicos injetores
e a bomba injetora foram levados a um posto de
A seqüência de procedimentos acima,
juntamente com os resultados obtidos ao longo
dos testes, mostrou que a principal causa da perda
de potência do motor era a acumulação de sujeira
no interior da bomba injetora e/ou no filtro
acoplado à bomba de alimentação. Uma vez que o
óleo de dendê como recebido apresentava um teor
muito baixo de contaminantes sólidos (cerca de
10mg/litro), presume-se que a sujeira tenha
chegado ao óleo posteriormente, nas fases de
estocagem e manuseio.
T_escape, C
600
500
Dendê
Diesel
400
0
Figura 6 –
100
200
Tempo, h
300
400
Evolução da temperatura de escape ao longo do
tempo, na potência normalizada para 48,5kW.
CUSTOS DE GERAÇÃO: DENDÊ X
DIESEL
Foi realizada uma análise preliminar dos
custos envolvidos na geração elétrica com óleo de
dendê, comparados aos custos de geração com
óleo diesel. Os custos em US$/MWh são
compostos pela soma de três parcelas:
investimentos, combustível e gastos com
manutenção. Os custos de investimento são
praticamente iguais para o diesel e o dendê, salvo
alguns arranjos adicionais para se operar com este
último combustível. Para se calcular os custos de
investimento,
considerou-se
cerca
de
US$250/quilowatt instalado, vida útil de 20 anos
com depreciação linear, taxa de juros de 15% ao
ano, e funcionamento do gerador a 60% da sua
capacidade nominal (em média), durante 8 horas
por dia.
Os custos de manutenção foram
estimados com base nos resultados dos ensaios
realizados no presente trabalho e também levando
em conta informações de ensaios similares
realizados pela EMBRAPA, em Manaus. Estas
informações indicaram a necessidade de
manutenções custosas ao longo do tempo, devido
à erosão ou corrosão de partes internas dos bicos
injetores e dos elementos da bomba injetora.
Além disto, eventualmente seria necessário
realizar
descarbonizações
“completas”
envolvendo não apenas a remoção dos cabeçotes
para limpeza das câmaras e válvulas, como foi
feito no presente trabalho, mas também a remoção
dos pistões e anéis de segmento. Para uma
estimativa preliminar de custos, considerou-se
então a seguinte rotina quando operando com óleo
de dendê: i) A cada 400 horas – limpeza dos bicos
e bomba injetora; descarbonização “parcial” das
câmaras de combustão; ii) A cada 800 horas –
troca dos bicos injetores e dos elementos da
bomba injetora; descarbonização “completa” das
câmaras de combustão. Os preços de peças e
serviços foram obtidos junto a representantes da
Bosch e MWM. Os custos típicos de manutenção
para um grupo gerador operando normalmente
com diesel foram obtidos de duas firmas
especializadas. As estimativas realizadas desta
forma, incluindo trocas de óleo lubrificante,
resultaram nas cifras de US$2,36/hora
(R$4,25/hora) e US$0,34/hora (R$0,61/hora) para
a operação com óleo de dendê e com diesel,
respectivamente. Observe-se que os gastos de
manutenção estão sendo considerados aqui como
dependentes apenas do tempo de operação. Desta
forma, os gastos em US$/MWh serão tanto
menores quanto maior for a potência ou energia
gerada pelo grupo gerador no período entre
manutenções.
Para o cálculo do custo com combustível
considerou-se um consumo de 0,33litros/kWh,
tanto para o diesel quanto para o óleo de dendê. O
preço do diesel em municípios mais distantes dos
centros de distribuição pode ser tomado como
US$0,39/litro (R$0,70/litro). O preço do óleo de
dendê oscila ao longo do tempo. Cotações diárias
para grande volumes de comercialização podem
ser obtidos, por exemplo, no “site” da Internet da
firma Aboissa (http://www.aboissa.com.br). O
preço médio ao longo do tempo para o óleo de
dendê “in natura” na Região Norte fica por volta
de
US$400/tonelada
(US$0,36/litro
ou
R$0,65/litro) [8].
A título de exercício, consideram-se os
custos de geração elétrica em duas situações
distintas de preços de óleo diesel e de óleo de
dendê, e ainda avaliando o uso de grupos
geradores com potências nominais de 40kW e
100kW. Na Figura 7 tem-se uma situação em que
o diesel custa R$0,70/litro e o óleo de dendê custa
R$0,65/litro, conforme exposto anteriormente. Na
Figura 8, considera-se uma situação plausível de
uma comunidade isolada em que o diesel seja
vendido a R$1,00/litro (US$0,56/litro) e o óleo de
dendê
seja
vendido
por
R$0,60/litro
(US$0,33/litro), devido a dificuldades de
transporte.
Manutenção
Diesel=R$0,70/l (US$ 0,39/l);
Dendê=R$0,65/l (US$ 0,36/l)
Combustível
300
250
200
150
100
50
0
US$/MWh
Investimento
Diesel
40kW
Figura 7 –
Dendê
40kW
Diesel
100kW
Dendê
100kW
Comparação de custos de geração elétrica. Óleo
de dendê e diesel com preços semelhantes.
Diesel=R$1,00/l (US$ 0,56/l)
Dendê=R$0,60/l (US$ 0,33/l)
Manutenção
Combustível
300
Investimento
US$/MWh
250
200
150
100
50
0
Diesel
40kW
Figura 8 -
Dendê
40kW
Diesel
100kW
Dendê
100kW
Comparação de custos de geração elétrica. Óleo
diesel 60% mais caro que o óleo de dendê.
As Figuras 7 e 8 mostram que o óleo de
dendê pode ser competitivo com o diesel se o
gerador tiver potência relativamente alta e se
existir uma diferença de preço substancial em
favor do óleo de dendê. Por outro lado, esta
situação na prática tende a ser restrita, uma vez
que os geradores utilizados em localidades
isoladas são de pequeno porte, por volta de 40kW
ou menor. Para ampliar as oportunidades de
utilização do óleo de dendê como combustível, é
necessário diminuir a freqüência e os custos de
manutenção do motor associados à operação com
o dendê. Isto será abordado a seguir.
DISCUSSÃO
No presente trabalho, o grupo gerador
diesel funcionou relativamente bem com óleo de
dendê “in natura” ao longo do período
inicialmente planejado de 400 horas. Em se
tratando de ensaio de motores, este período é tido
como sendo de média duração. Até onde se pôde
investigar, o principal problema encontrado foi
decorrente do acúmulo de sujeira na bomba
injetora ou no filtro da bomba de alimentação. A
carbonização das câmaras de combustão,
tipicamente verificável na operação com óleos
vegetais, exerceu uma influência secundária no
desempenho do motor, dentro do período
considerado. A eventual degradação do
funcionamento dos bicos injetores parece ter sido
corrigida a contento através do acerto da
temperatura de aquecimento do óleo vegetal. Isto
deverá ser melhor verificado em ensaios mais
longos. Se necessário, pode-se estabelecer uma
rotina de limpeza periódica dos bicos injetores
com a utilização de escova metálica. Esta limpeza
é suficiente em muitos casos, e pode ser efetuada
rapidamente pela própria pessoa encarregada da
operação do grupo gerador [9].
Uma análise mais abrangente pode ser
realizada com as informações disponíveis de
testes de longo prazo com óleo de dendê
conduzidos pela EMBRAPA em Manaus [10].
Nestes testes, reportou-se que os maiores
problemas encontrados foram relacionados à
erosão ou corrosão acentuada dos elementos da
bomba injetora e de componentes internos dos
bicos injetores. Isto foi verificado até mesmo em
motores especialmente projetados para trabalhar
com óleo vegetal (tecnologia Elsbett). Os óleos
vegetais têm maior poder lubrificante do que o
diesel. Deste modo, estas ocorrências de
erosão/corrosão devem estar relacionadas a
fatores como excesso de acidez, partículas sólidas
ou teor de água elevado no óleo. A referência [11]
relata justamente um caso de corrosão e
inutilização dos elementos da bomba injetora de
um motor estacionário devido à acidez do
combustível utilizado (sebo líquido, com cerca de
10% de acidez). O exame aleatório de uma
amostra do óleo utilizado nos experimentos da
EMBRAPA, em uma certa época, revelou uma
acidez de 7%. Esta é uma acidez elevada,
provavelmente suficiente para causar o desgaste
observado. No presente trabalho, o óleo de dendê
utilizado apresentava acidez por volta de 7% a
9,5%, mas não chegou a haver desgaste dos
elementos da bomba injetora. Isto pode ser devido
ao tempo relativamente curto dos ensaios.
Os custos de geração elétrica com óleo
de dendê foram estimados levando-se em conta
todos os problemas que têm sido encontrados na
operação com este óleo, e resultaram em valores
elevados. No entanto, a análise destes dados
mostra que os principais problemas e custos
associados foram causados por fatores
relacionados à “limpeza” do óleo, e não a
propriedades intrínsecas do mesmo. Desta forma,
os custos de manutenção podem ser drasticamente
reduzidos através de cuidados relativamente
simples a serem tomados com o óleo vegetal.
Neste contexto, cabe mencionar que, na
Alemanha, o óleo de colza (canola) não
transesterificado vem tendo uso crescente como
combustível em motores diesel veiculares
convencionais. Isto é devido a uma política de
taxação e subsídio que torna o óleo diesel cerca
de 50% mais caro do que o óleo de colza não
transformado. A maioria dos motores empregados
nesta aplicação é de injeção indireta, embora que
motores com injeção direta também sejam
utilizados. O que é importante ressaltar é que, ao
longo do tempo, verificou-se a necessidade de se
estabelecer controles rígidos sobre a qualidade do
óleo de colza a ser usado como substituto do
diesel. Os esforços neste sentido culminaram na
elaboração de uma norma, cuja versão mais
recente está disponível no “site” da Universidade
de Munique, em http://www.tec.agrar.tumuenchen.de/pflanzoel/rkstandard_e.html
Esta norma estipula, por exemplo, os
seguintes limites máximos: i) índice de
neutralização = 2,0mg KOH/g (equivalente a
cerca de 1% de acidez, ou ácidos graxos livres);
ii) impurezas insolúveis = 25ppm; iii) teor de
água = 750ppm. Contrastando com estes valores,
o óleo de dendê é aceito para comercialização
internacional com até 5% de acidez, 10.000ppm
de impurezas insolúveis e 10.000ppm de
umidade. O óleo de dendê comercializado
internamente pode ser encontrado com até 20%
de acidez [12]. Isto é causado principalmente por
demora excessiva em se iniciar o processo de
cozimento e extração do óleo após a colheita dos
frutos, e também, posteriormente, por estocagem
prolongada do óleo em condições desfavoráveis.
É possível que os valores estipulados
pela norma sejam extremamente conservadores.
De qualquer forma, os números apresentados
acima alertam para a necessidade de cuidados
especiais quanto à filtração, decantação e
manuseio do óleo vegetal a ser utilizado em
motores diesel. Eventualmente, pode ser
necessário providenciar também a neutralização
deste óleo.
Finalmente, deve-se mencionar que os
motores diesel com injeção indireta são mais
apropriados para a aplicação em pauta. Eles
propiciam uma combustão mais completa do óleo
vegetal e utilizam bicos injetores menos
propensos ao entupimento por coqueificação. No
entanto, os modelos disponíveis no Brasil são de
pequena potência, podendo equipar grupos
geradores de aproximadamente 10kW a 1800rpm,
no máximo. Isto justifica a continuação de
experimentos com motores de injeção direta, os
quais constituem a vasta maioria dos motores
diesel comercializados.
CONCLUSÕES
Testes com duração total de 400 horas
foram realizados utilizando óleo de dendê “in
natura” como combustível em um grupo gerador
diesel convencional.
Os seguintes procedimentos especiais
foram adotados para minimizar problemas de
carbonização e entupimento de injetores: 1) o
motor era aquecido com diesel por 10 minutos
antes de passar a operar com o óleo vegetal e
voltava a funcionar com diesel cerca de 10
minutos antes do desligamento, para não deixar
resíduos de óleo vegetal resfriar na linha de
combustível e no sistema injetor; 2) o óleo vegetal
era aquecido para diminuir sua viscosidade.
Foram experimentados aquecimentos a 55oC,
80oC e 100oC. A temperatura que se mostrou mais
adequada foi 80oC.
A potência máxima atingível usando o
óleo de dendê foi cerca de 10% menor do que
com o diesel. O consumo de combustível em
litros/kWh e o teor de emissões (gases de
descarga) foram similares aos da operação com o
diesel.
A operação com óleo de dendê causa
uma contaminação acentuada do óleo lubrificante.
Por isto, a troca deve ser feita a cada 100 horas,
ao invés das 200 horas previstas pelo manual. Isto
pode ser melhorado com o uso de óleos
lubrificantes mais viscosos e/ou de especificação
mais nobre.
O motor funcionou bem durante as 400
horas com óleo de dendê. No entanto, houve uma
queda de 6% na potência, ao longo dos testes. Isto
foi devido à acumulação de sujeira na bomba
injetora e, secundariamente, à carbonização das
câmaras de combustão. Ocorreram problemas
iniciais de coqueificação com obstrução parcial
dos bicos injetores, mas isto parece ter sido
resolvido a contento através do ajuste do
aquecimento do óleo de dendê.
Os custos de geração elétrica quando
operando com óleo de dendê foram projetados a
partir das manutenções verificadas nestes testes e
também levando em conta os dados reportados de
outros testes de maior duração. Estas projeções
limitaram o uso econômico do óleo de dendê a
situações em que o mesmo fosse pelo menos 25%
mais barato que o diesel, e onde o gerador
utilizado tivesse uma potência relativamente
elevada (~100kW).
Ao mesmo tempo, a análise dos dados
disponíveis indica que as manutenções e os custos
associados podem ser drasticamente reduzidos
através de cuidados com a filtração, decantação e
controle de acidez do óleo de dendê. Isto tornaria
o óleo de dendê competitivo com o diesel mesmo
em condições de igualdade de preços e também
na aplicação em pequenos geradores.
Na aplicação do óleo vegetal em
substituição
ao
diesel,
deve-se
utilizar
preferencialmente motores com injeção indireta.
Estes são fabricados no Brasil para geradores de
até ~ 10kW a 1800rpm.
PALAVRAS CHAVES
Óleo vegetal; dendê; palma; gerador;
diesel
AGRADECIMENTOS
À
COPPE/UFRJ
e
ao
CENPES/PETROBRÁS pela colaboração técnica
ao longo dos testes.
REFERÊNCIAS
[1] HERNANI DE SÁ FILHO ET
ALLII; Diagnóstico da Viabilidade Técnica de
Utilização dos Óleos Vegetais Brasileiros como
Combustível / Lubrificante; Informativo do
INT, 12(22), maio/agosto de 1979, pgs. 29-39
[2] DIPROD/CENPES/PETROBRÁS;
Estudo sobre o uso de óleos vegetais como
combustível para motores diesel - Relatórios
nos: 1 (jullho/80), 2 (fev./81) e 3 (julho/83).
[3] Informações dos Engos Francisco E.
B. Nigro e Maurício Assumpção Trielli, do
Agrupamento de Motores/IPT, São Paulo, em
1999.
[4] JOSHUA & KAIA TICKELL; From
the Fryer to the Fuel Tank. 2nd. Edition.
GreenTeach Publishing, Sarasota, Fla., USA,
1999.
[5]
Informações
disponíveis
no
“website” da Universidade Técnica de Munique.
Explorar a partir de: http://www.tec.agrar.tumuenchen.de/
[6]
Informações
disponíveis
no
“website” da organização INARO (Sistema de
Informações sobre Matérias Primas Renováveis);
explorar a partir de: http://www.inaro.de
[7] Informações do Eng o Mauro Iurk,
DIPROD/CENPES/PETROBRÁS; agosto/99.
[8] Informações do Engo Franz J. Kaltner
(CENBIO; PROMAK-Belém), dezembro/1999.
[9] REINHOLD METZLER; Small
Lister Type Diesel Engines of Indian Origin –
Their long term performance on plant oil as
fuel and ways to improve their reliability.
Report for Project Purghère, October 1995. (Ver
http://www.jatropha.com, item “Literature”).
[10] Informações do Engo Roberto de
Moraes Miranda, CPAA/EMBRAPA – Manaus,
dezembro/1999.
[11] OLAF SOYK; Suitability of old
fats for the operation of a diesel engine.
Diplomarbeit, Universität der Bundeswehr,
München, 1999.
[12] ADEMAR NOGUEIRA DO
NASCIMENTO & JURANDYR SANTOS
NOGUEIRA. Avaliação técnica e econômica
do óleo de dendê para a geração de eletricidade
no interior da Bahia. Relatório de Projeto
CEPEL/ELETROBRÁS / UFBA. Universidade
Federal da Bahia (UFBA), maio/2000.