Desempenho e Emissões de Motor a Biogás

O principal objetivo da pesquisa foi avaliar a viabilidade técnica e prática de utilizar biogás em um motor gerador. Essa análise se concentrou na comparação do desempenho e das emissões de um motor gerador de ignição por centelha operando com três combustíveis distintos: gasolina, GNV (gás natural veicular) e biogás. A escolha do biogás se justifica por sua natureza renovável e por ser gerado a partir de um processo contínuo, como o tratamento de esgoto, representando uma alternativa aos combustíveis fósseis. No entanto, a presença de impurezas no biogás, como água, dióxido de carbono e, principalmente, sulfeto de hidrogênio (H2S), exigem tratamentos prévios e ajustes no motor para garantir a eficiência e reduzir as emissões. O estudo detalha a importância da redução de H2S, utilizando-se filtro de limalha de ferro para mitigar seus efeitos corrosivos sobre o motor. A pesquisa investigou a performance do motor em diferentes cenários operacionais, a fim de alcançar níveis adequados de emissões e consumo de combustível. A análise abrangente visa demonstrar a capacidade de integração do biogás como fonte de energia, contribuindo para a redução do uso de combustíveis fósseis e a promoção de fontes de energia sustentáveis. A metodologia incluiu testes com diferentes cargas no motor (25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal), permitindo uma análise completa do comportamento do sistema.

Além da comparação entre combustíveis, um segundo objetivo crucial foi analisar a influência de parâmetros operacionais na combustão do biogás. Foram selecionados, especificamente, a razão ar-combustível e o avanço de ignição como variáveis-chave para otimizar a eficiência e reduzir as emissões. A alteração desses parâmetros permitiu um estudo detalhado de sua interação com o processo de combustão, visando a determinação de condições ideais para o funcionamento do motor com biogás. A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e dióxido de carbono, afeta negativamente o processo de queima, diminuindo a eficiência e o poder calorífico. A investigação focou na identificação da melhor relação ar-combustível para maximizar a combustão completa, minimizando a produção de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC). A análise do avanço de ignição buscava a otimização da combustão, evitando problemas como detonação e maximizando a eficiência térmica. Esses estudos foram complementados pela análise da literatura sobre o uso de biogás em motores de combustão interna, incluindo trabalhos de autores como Porpatham et al. e Crookes, permitindo uma comparação dos resultados obtidos e uma contextualização mais completa da pesquisa. O objetivo final foi a proposição de parâmetros operacionais otimizados para o uso de biogás em motores, contribuindo para uma maior eficiência e redução das emissões poluentes.

A metodologia empregada iniciou com uma fase de testes utilizando um grupo motor-gerador de ciclo Otto, modelo B4T 5000 Bio 4 kW. Este motor foi submetido a ensaios com três combustíveis distintos: gasolina, GNV (gás natural veicular) e biogás. Para cada combustível, o motor operou em quatro níveis de carga distintos, correspondentes a 25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal do motor (4 kW). As emissões de CO2, CO, HC e NOx foram medidas utilizando-se um analisador de gases NAPRO, fornecendo dados quantitativos sobre a composição dos gases de escape em cada condição de operação. A escolha desses níveis de carga permitiu a análise do impacto dos diferentes combustíveis no desempenho do motor em uma ampla gama de condições operacionais, desde baixas até a potência máxima. O processo de medição foi rigoroso e padronizado, buscando minimizar a influência de variáveis externas nos resultados. A coleta sistemática de dados em múltiplas condições garante a robustez dos resultados e a confiabilidade das conclusões do estudo. A utilização de um analisador de gases de alta precisão, como o NAPRO, assegura a acurácia das medições de emissões, um aspecto crítico para uma avaliação completa do desempenho ambiental do motor.

Para reduzir a concentração de H2S, um gás altamente corrosivo presente no biogás, utilizou-se um filtro de limalha de ferro. Essa etapa de pré-tratamento do biogás foi crucial para a proteção do motor durante os testes. Após o pré-tratamento, uma segunda fase da pesquisa focou em testes mais detalhados, utilizando exclusivamente biogás como combustível. Reconhecendo as características específicas do biogás, alguns parâmetros operacionais do motor foram alterados de forma controlada para determinar sua influência no desempenho e nas emissões. Além da variação da carga do motor, foram modificadas a relação ar-combustível e o avanço de ignição. A manipulação dessas variáveis permitiu estudar a sensibilidade do motor às mudanças na composição da mistura combustível e na sincronização da ignição. Este procedimento sistemático permite a construção de um conjunto de dados completo para modelar o impacto da relação ar-combustível e do avanço de ignição na eficiência e nas emissões do motor em funcionamento com biogás. Através da análise desses dados, é possível identificar as melhores combinações de parâmetros para otimizar o desempenho e minimizar os impactos ambientais da utilização do biogás como combustível.

A comparação entre os combustíveis (gasolina, GNV e biogás) revelou diferenças significativas nas emissões de poluentes. Em relação à gasolina, o biogás apresentou emissões inferiores de CO, HC e NOx, demonstrando um potencial ambientalmente mais favorável. As emissões de NOx foram semelhantes entre o biogás e a gasolina, mantendo-se praticamente constantes. Já em relação ao GNV, as emissões de CO, HC e NOx foram similares ao biogás, embora o GNV tenha apresentado maior temperatura de combustão e, consequentemente, maiores concentrações de NOx. A exceção observada foi nas emissões de CO2, onde o biogás apresentou valores superiores aos outros combustíveis, devido à sua composição inerente, que já contém alta concentração de CO2. Esse achado reforça a importância de considerar a composição do biogás e seus impactos no ciclo de carbono, apesar da redução de outros poluentes. A análise detalhada das emissões de cada poluente, em função do tipo de combustível, contribui para uma avaliação mais precisa dos impactos ambientais de cada alternativa energética, permitindo uma comparação justa e informativa. A menor emissão de CO e HC pelo biogás, em comparação à gasolina, indica uma combustão mais completa, confirmando sua viabilidade como alternativa energética mais limpa. A análise comparativa abrange a complexidade dos efeitos de diferentes combustíveis na qualidade do ar, levando em conta as vantagens e desvantagens de cada fonte de energia para o meio ambiente.

O estudo também avaliou o consumo de combustível de cada alternativa, revelando maior consumo específico para o biogás em relação à gasolina e ao GNV. Este resultado era esperado, devido ao baixo poder calorífico inferior (PCI) do biogás quando comparado com os combustíveis fósseis. A menor densidade energética do biogás implica na necessidade de maior volume de combustível para produzir a mesma quantidade de energia, resultando em um maior consumo. Entretanto, a análise do consumo deve ser interpretada em conjunto com a avaliação das emissões, considerando-se a redução dos poluentes como um fator compensatório. Assim, a escolha do biogás deve considerar uma análise custo-benefício entre o aumento do consumo e a diminuição das emissões poluentes, buscando-se otimizar tanto a eficiência energética quanto o impacto ambiental. A compreensão da relação entre PCI e consumo é fundamental para uma avaliação completa da viabilidade técnica e econômica do biogás como fonte de energia. A pesquisa demonstra que, mesmo com um maior consumo, as reduções nas emissões de poluentes podem justificar o uso do biogás, dependendo do contexto e dos objetivos específicos da aplicação. Estudos futuros podem focar em otimizar o processo de produção do biogás para aumentar seu PCI, melhorando ainda mais sua viabilidade como combustível.

A variação da razão ar-combustível (λ) demonstrou forte influência nas emissões e no consumo específico de combustível. Ao variar λ de 0,95 (mistura rica) a 1,07 (mistura pobre), observou-se que o aumento de λ, representando um empobrecimento da mistura, levou à diminuição das emissões de hidrocarbonetos (HC) e monóxido de carbono (CO). Essa redução é explicada pela melhoria na qualidade da combustão, com uma queima mais completa do combustível. Contudo, um aumento da razão ar-combustível resultou em um aumento das emissões de dióxido de carbono (CO2) e óxidos de nitrogênio (NOx). Essa tendência inversa entre CO/HC e CO2/NOx indica um trade-off entre a completude da combustão e a formação de outros poluentes. A análise demonstra a necessidade de otimizar a razão ar-combustível para minimizar as emissões totais, buscando o ponto de operação ideal que equilibra a redução de CO e HC com o aumento de CO2 e NOx. A análise dos resultados foi realizada em função da carga do motor, permitindo uma compreensão mais completa do comportamento do sistema em diferentes condições operacionais. Os resultados obtidos corroboram com dados reportados na literatura, confirmando a relação entre a razão ar-combustível e as emissões de poluentes em motores de combustão interna.

Os testes incluíram a variação do avanço de ignição, avaliando seu impacto nas emissões e no consumo de combustível. Foram testados quatro pontos de avanço distintos: 21º apms (atraso), 31º apms (avanço original), 42º apms e 53º apms. Observou-se que, para a maioria das cargas do motor (exceto a carga máxima de 100%), os menores níveis de emissões de CO foram encontrados com o avanço de ignição de 31º apms. A modificação do ponto de ignição se mostrou uma ferramenta útil para evitar a detonação nos cilindros, conforme evidenciado na literatura por estudos como o de Porpatham et al. (2010), que associaram o aumento da taxa de compressão em misturas ricas a um maior atraso na ignição. A escolha do avanço de ignição ideal requer uma análise cuidadosa, buscando o equilíbrio entre a otimização da combustão e a prevenção de detonação. Os resultados demonstram a influência da sincronização da ignição na eficiência da queima do biogás, indicando que a otimização deste parâmetro pode contribuir para a melhoria do desempenho e redução das emissões do motor. A análise desses resultados em conjunto com os dados obtidos com a variação da razão ar-combustível contribui para uma otimização mais completa do processo de combustão em motores que utilizam biogás como combustível.