Balanço energético e análise econômica de geração distribuída de energia a biogás no meio rural

Abstract

Resumo: A geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas tem ganhado crescente relevância, impulsionada pela necessidade de diversificar o fornecimento energético e mitigar os impactos ambientais. Neste contexto, este estudo investigou cinco diferentes arranjos de sistemas de geração de energia elétrica (SGE) em propriedades rurais do Oeste do Paraná, Brasil. Esses sistemas operam no modelo de geração distribuída (GD) e utilizam biogás proveniente da biodigestão de resíduos da suinocultura e da avicultura de postura como matéria-prima. A pesquisa foi estruturada em duas etapas. Na primeira, realizou-se o balanço energético das plantas, com base nas metodologias propostas por Berglund & Börjesson (2006), Havukainen et al. (2014) e Pöschl et al. (2010). Na segunda, analisaram-se os parâmetros econômicos dos sistemas, conforme modelos propostos por Santos et al. (2019), Govender et al. (2019) e Branker et al. (2011), considerando três taxas de juros, de 13% para BNDES Finem – Geração de energia, 8,5% para RenovAgro e 3,5% com subsídio RenovaPR, e cinco diferentes tarifas de energia, variando de R$ 0,40 a R$ 0,80. Os resultados revelaram que a planta que possui um reator CSTR (Planta D) apresentou o melhor desempenho energético, com 87% de eficiência no subsistema de biodigestão e 16% no subsistema completo, fator de energia gerada por sólidos voláteis bruto de 2.798 e líquido de 2.319 kJ.kgsv-1, eficiência de geração de eletricidade bruta de 22% e líquida de 20%, destacando-se tanto na eficiência do biodigestor quanto no motor-gerador. As demais plantas obtiveram eficiências entre 33 e 44% no subsistema biodigestor e entre 4 e 8% no subsistema completo, com com fator de energia gerada por sólidos voláteis bruto entre 693 e 1.250 kJ.kgsv-1 e líquido entre 484 e 1.131 kJ.kgsv-1, e eficiências de geração de eletricidade bruta entre 15 e 21% e líquida entre 10 e 19%. Todas as plantas apresentaram 100% de eficiência de energia renovável, com a exceção da planta com reator CSTR, que utiliza óleo diesel no transporte do dejeto de aves e obteve 93%. Em termos de viabilidade econômica, a Planta B, que utiliza um biodigestor de lagoa coberta adaptado num reator plug flow, mostrou-se a melhor opção para projetos de menor custo e retorno mais rápido, com um valor presente líquido de R$ 556.925, taxa interna de retorno de 21% e payback de 6 anos e 9 meses, considerando a tarifa e taxa de juros intermediárias (R$ 0,60 e 8,5%). Por outro lado, a planta com reator CSTR, apesar do investimento inicial elevado, é recomendada para produtores que desejam maximizar a geração de energia em longo prazo, especialmente em cenários de tarifas de energia mais altas. O custo nivelado de energia variou conforme a dimensão e a eficiência de cada sistema, demonstrando competitividade em relação a outras fontes, com destaque para a Planta B, que obteve o menor custo por unidade de energia gerada, com R$ 0,32 para a taxa de juros de 8,5%. A Planta D atingiu o custo mais alto entre as plantas, com R$ 0,80, na mesma taxa de juros. Esses resultados podem orientar produtores rurais e outros interessados na escolha do melhor arranjo de geração de energia elétrica, adaptando-o à sua realidade para possíveis replicações

Abstract: The generation of electricity from alternative sources has gained increasing relevance, driven by the need to diversify energy supply and mitigate environmental impacts. In this context, this study investigated five different configurations of electricity generation systems (EGS) in rural properties in western Paraná, Brazil. These systems operate under the distributed generation (DG) model and use biogas from the biodigestion of swine farming and layer poultry farming waste as raw material. The research was structured in two stages. In the first stage, an energy balance of the plants was conducted based on the methodologies proposed by Berglund & Börjesson (2006), Havukainen et al. (2014), and Pöschl et al. (2010). In the second stage, the economic parameters of the systems were analyzed, following models proposed by Santos et al. (2019), Govender et al. (2019), and Branker et al. (2011), considering three interest rates: 13% for BNDES Finem – Energy Generation, 8.5% for RenovAgro, and 3.5% with RenovaPR subsidy, along with five different energy tariffs, ranging from R$ 0.40 to R$ 0.80. The results revealed that the plant with a CSTR reactor (Plant D) demonstrated the best energy performance, with 87% efficiency in the biodigestion subsystem and 16% in the complete subsystem, a gross volatile solids energy generation factor of 2,798 kJ.kgsv?¹ and a net factor of 2,319 kJ.kgsv?¹, a gross electricity generation efficiency of 22%, and a net efficiency of 20%. This plant stood out in both biodigester and engine-generator efficiency. The other plants achieved efficiencies between 33% and 44% in the biodigester subsystem and between 4% and 8% in the complete subsystem, with a gross volatile solids energy generation factor ranging from 693 to 1,250 kJ.kgsv?¹ and a net factor between 484 and 1,131 kJ.kgsv?¹. Their gross electricity generation efficiencies ranged from 15% to 21%, while net efficiencies were between 10% and 19%. All plants exhibited 100% renewable energy efficiency, except for the plant with a CSTR reactor, which uses diesel fuel for poultry waste transportation and achieved 93%. In terms of economic feasibility, Plant B, which employs a covered lagoon biodigester adapted to a plug-flow reactor, proved to be the best option for lower-cost projects with faster returns, with a net present value of R$ 556,925, an internal rate of return of 21%, and a payback period of 6 years and 9 months, considering the intermediate tariff and interest rate (R$ 0.60 and 8.5%). On the other hand, the plant with a CSTR reactor, despite its high initial investment, is recommended for producers aiming to maximize energy generation in the long term, especially in scenarios with higher energy tariffs. The levelized cost of energy varied depending on the size and efficiency of each system, demonstrating competitiveness compared to other sources. Plant B stood out with the lowest cost per unit of generated energy, at R$ 0.32 for the 8.5% interest rate, whereas Plant D had the highest cost, reaching R$ 0.80 at the same interest rate. These findings can guide rural producers and other stakeholders in selecting the best electricity generation arrangement, adapting it to their specific reality for potential replications