Metodologia experimental para avaliação de custos de produção e utilização de biodiesel: estudo de caso de quatro ésteres metílicos e óleo diesel comercial

Experimental methodology for assessing the cost of biodiesel production and use biodiesel: a case study of four methyl esters and commercial diesel fuel

ARTIGOS CIENTÍFICOS

ENGENHARIA RURAL

Metodologia experimental para avaliação de custos de produção e utilização de biodiesel: estudo de caso de quatro ésteres metílicos e óleo diesel comercial

Experimental methodology for assessing the cost of biodiesel production and use biodiesel: a case study of four methyl esters and commercial diesel fuel

Diego Augusto Fiorese^{I ,IV,1}; Luis Fernando Souza Gomes^II; Samuel Nelson Melegari de Souza^III; Arno Udo Dallmeyer^IV; Leonardo Nabaes Romano^IV

^IDepartamento de Engenharia, Faculdade de Ciências Agronômicas (FCA), Universidade Estadual Paulista (UNESP), 18610-307, Botucatu, SP, Brasil. E-mail: [e-mail]

^IIUniversidade Federal do Paraná (UFPR), Palotina, PR, Brasil

^IIIUniversidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), Cascavel, PR, Brasil

^IVPrograma de Pós-graduação em Engenharia Agrícola, Universidade Federal de santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, Brasil

RESUMO

Considerando que o Brasil detém uma vasta gama de matérias-primas para produção de biodiesel, e também que há a possibilidade de produção em pequena escala, prima-se por estudos de cunho econômico a partir de metodologias de fácil execução. O objetivo do trabalho foi demonstrar uma metodologia e sua aplicação para avaliação dos custos inseridos dentro do processo produtivo e de utilização do biodiesel. A metodologia foi aplicada a biodieseis originários de óleo de soja, girassol, frango e sebo bovino, dos quais se avaliaram economicamente os custos fixos e variáveis para conversão química dos óleos e gorduras em ésteres metílicos, em uma planta de produção experimental. Os custos de produção para cada uma das quatro citadas são distintos em função do valor inicial por litro de cada uma. Também fora avaliado o custo específico e o consumo específico de cada um dos biodieseis, a fim de determinar a diferença em relação ao óleo diesel comercial. No estudo de caso, os resultados mostraram vantagens para o óleo diesel, tanto no custo quanto no consumo. Comparando-se os biodieseis, o de sebo bovino apresentou-se com o menor custo de produção e o menor consumo.

Palavras-chave: energia, biocombustível, Helianthus annus, Glycine max, consumo.

ABSTRACT

Considering that Brazil has a wide range of raw materials for biodiesel production, and also the possibility of small scale production, there is a demand for economic methodology studies with easy implementation. The objective of this research was to demonstrate a methodology and its application to assess the costs within the production process and the biodiesel use. The methodology was applied to biodiesels originated from soybean oil, sunflower oil, chicken oil and beef tallow, which assessed the fixed and variable costs for chemical conversion of oils and fats into methyl esters in an experimental production plant. Production costs for each of the four mentioned esters are peculiar due to the initial value of each oil per liter. Also the specific cost and specific fuel consumption were evaluated for each biodiesel to determine the difference with the commercial diesel oil. The case study showed advantages for diesel oil, both in cost and consumption. Comparing the biodiesels, the beef tallow showed the lowest production costs and lower consumption.

Key words: energy, biofuel, Helianthus annus, Glycine max, consumption.

INTRODUÇÃO

O biodiesel pode ser produzido a partir de óleos e gorduras de origem animal ou vegetal, incluindo óleos residuários (PARENTE et al., 2003; GOMES et al., 2008). De acordo com MORETTO & FETT (1998); SOLOMONS & FRYHLE (2000); LEHNINGER et al. (2006), óleos e gorduras são substâncias insolúveis em água, formados predominantemente de produtos da condensação entre glicerol e ácidos graxos, chamados triglicerídeos ou triacilgliceróis. Complementam KNOTHE et al. (2006), que são altamente viscosos em temperatura ambiente, possuindo propriedades não aceitáveis para utilização nos motores de combustão interna de ciclo diesel, necessitando assim de intervenções químicas para conversão em combustível adequado.

A conversão das moléculas de triglicerídeos em monoglicerídeos pelo processo de transesterificação permite a obtenção dos produtos comumente denominados de biodiesel, nos quais a reação química ocorre com a presença de um álcool de cadeia curta (usualmente metanol) e um catalisador (KNOTHE et al., 2006). O peso molecular desses monoglicerídeos e as propriedades físico-químicas são similares ao óleo diesel (ABREU et al., 2004), porém, a energia contida no biodiesel, representada pelo poder calorífico, é inferior, acarretando maior consumo de combustível para o suprimento da potência necessária (SANTOS et al., 2007).

Motores de ciclo diesel são caracterizados por altas taxas de compressão e auto-ignição do combustível, que convertem energia química em energia mecânica, havendo inúmeros tipos, tamanhos, aplicações e formas construtivas (HEYWOOD, 1988; STONE, 1999). Segundo alguns autores, testes têm mostrado que a eficiência real de conversão da energia do combustível em potência é similar para o biodiesel e o óleo diesel, sendo que o primeiro aproveita melhor o seu conteúdo energético (PARENTE et al., 2003), de forma que os consumos específicos dos dois combustíveis se equivalem (ALI et al., 1996). Por outro lado, vários autores afirmam diferenças no consumo (CANAKCI, 2007; CORRÊA et al., 2008) e na potência (BRUNELLI, 2009; MACHADO, 2008), em virtude de origens diferentes e das características físico-químicas que, apesar de similares não são exatamente iguais.

Baseado nas distinções dos motores, na grande disponibilidade de matérias-primas para produção de combustíveis similares e, atrelado às divergências entre autores para os quesitos supracitados, uma maneira de avaliar o custo benefício na utilização dos diversos combustíveis é calcular o custo específico (R$ kWh^-1), a exemplo de SEYE & SOUZA, (2006) e CASTELLANELLI (2007).

Os custos de produção do biodiesel podem conter variações de acordo com a escala de produção, podendo afetar em 25% o custo final do biodiesel, enquanto que o preço da matéria prima pode representar diferenças de até 50% do custo final (IEA, 2004). Assim o custo de produção, conforme HORNGREN et al. (2004); OLIVEIRA (2008), é formado pela soma dos valores de todos os recursos (insumos), operações (serviços) e de capital (custo de oportunidade), utilizados no processo produtivo.

Segundo conceitos abordados por OLIVEIRA (2008), o cálculo de custos de um determinado produto, estabelece custos de produção associados aos diversos padrões tecnológicos e preços de fatores em uso nas diferentes situações ambientais. Na formulação do método de cálculo dos custos de produção, o objetivo deliberado é a determinação do custo médio por unidade de comercialização da atividade constante na empresa.

Considerando a relevância dos custos de produção, atrelado ao consumo peculiar dos distintos combustíveis, o objetivo deste trabalho é aplicar uma metodologia que englobe os fatores de custo inseridos no ciclo de vida do biodiesel, mediante estudo de caso a partir de 4 matérias-primas e óleo diesel comercial B2, a fim de verificar o custo unitário volumétrico, consumo horário volumétrico, consumo específico e custo específico.

MATERIAL E MÉTODOS

Este trabalho foi desenvolvido e avaliado em três etapas. Na primeira etapa, abordaram-se estudos sobre o processo de transesterificação in loco, em uma planta experimental que trabalha em processo descontinuo por batelada, com capacidade de 900 litros por turno de 8 horas, avaliada em R$180.000,00, instalada no Centro de Desenvolvimento e Difusão de Tecnologias da Faculdade Assis Gurgacz - FAG, na Cidade de Cascavel-PR. A planta possui estrutura capaz de converter pelo processo químico de transesterificação todos os tipos de óleos e gorduras, independente da origem, sendo que, na ocasião, utilizou-se como álcool o metanol e, como catalisador, o Hidróxido de Sódio (NaOH), fornecendo ao final do processo um rendimento de 95%.

No processo de transesterificação, utiliza-se álcool em excesso para facilitar a reação química (FERRARI et al., 2005; KNOTHE et at., 2006). Dessa forma, a parte não consumida fica disponível para destilação e recuperação para posterior uso em novas reações químicas, uma vez que, de acordo com KAUL et al. (2007), o metanol na forma livre presente no biodiesel pode causar problemas graves nos componentes do motor.

Fora levantada a quantidade de insumos e energia gastos para a capacidade produtiva da planta experimental, bem como o rendimento da conversão. Os cálculos foram executados para dois turnos diários de trabalho, totalizando 16 horas (duas bateladas), durante 300 dias por ano (365 dias menos domingos e feriados).

A aquisição das matérias-primas avaliadas foi feita em empresas da região, num raio de 150km. A quantidade de metanol utilizado no processo foi de 13% (20% adicionado na reação química menos o recuperado) e 0,5% de catalisador calculados em volume. Os dados foram coletados em quatro repetições.

A segunda etapa consistiu em avaliar o consumo horário e específico de cada um dos biodieseis, comparando com o óleo diesel B2, em um grupo gerador, tendo em vista que os distintos combustíveis divergem em suas características físicas e no consumo.

Utilizou-se um grupo gerador com motor diesel monocilíndrico, quatro tempos, capacidade volumétrica de 406cm³ e com rotação de trabalho constante. O modelo possui potência nominal de 6,6kW (9cv), refrigeração a ar e injeção direta de combustível, com capacidade de geração de 5kW. As cargas aplicadas, na melhor condição de operação do motor (70%) e com máxima capacidade de geração (100%), foram impostas por corrente Foucault, sendo que os ensaios tiveram quatro repetições. Todo o sistema está instalado no Centro de Sistemas Alternativos de Energia da Universidade Estadual do Oeste do Parará, Campus de Cascavel-PR.

Para verificar o consumo, foi utilizado um tanque auxiliar e uma balança digital de precisão. O consumo horário foi medido pela massa consumida de combustível ao sair do tanque sobre a balança, sendo esta dividida pela potência gerada para determinação do consumo específico (g kWh^-1). A potência produzida foi mensurada por um analisador de energia marca Embrasul, modelo RE 2000, munido de sistema de aquisição e armazenamento de dados.

A terceira etapa consistiu basicamente em concretizar o escopo da metodologia, tendo como premissa o entendimento da primeira e segunda etapa, momento em que surgiram os dados necessários para todos os cálculos. No quesito custos, utilizou-se a metodologia adotada pela Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB, 2010) e por OLIVEIRA (2008), que abordam especificadamente sobre custos de produção no agronegócio.

O ciclo de custos para os 5 combustíveis avaliados se decompôs da seguinte forma: Custo volumétrico (R$ L^-1), sendo, para o óleo diesel B2 usado como testemunha, adquirido diretamente na bomba de abastecimento, e para os 4 biodieseis, totalizado pelo custo variável somado ao custo fixo de produção, calculado de acordo com a tabela 1; consumo horário volumétrico, dado retirado dos ensaios no motor de acordo com: Chv = (Chm/1000) * ρ, em que Chv é o consumo horário volumétrico (Lh^-1), Chm consumo horário mássico obtido pela massa de combustível consumida em 30 minutos de ensaio (g) multiplicado por 2 que converte para consumo horário (g h^-1), 1000 constante para conversão de g para kg e é o peso específico (g cm^-3); consumo específico, calculado pela expressão: C_s = (Chm/N), em que C_s é o consumo específico expresso como quantidade de combustível em massa por unidade de energia gerada (g kWh^-1) e N é a potência fornecida pelo motor acoplado ao gerador (kW); custo específico, no qual são considerados: o custo de aquisição do óleo diesel, que é cotado pelo preço volumétrico; no cálculo de consumo específico, considera-se massa consumida por unidade de energia produzida. Partindo de tais premissas, o cálculo pode ser realizado pela equação: C$_S = (C$V/ρ) * (C_s/1000), em que C$_S é o custo específico de combustível (R$ kWh^-1); C$V é o custo volumétrico (R$ L^-1); ρ é o peso específico (kg L^-1); C_s é o consumo específico (g kWh^-1) e 1000 constante para conversão de g para kg.

A análise de variância foi realizada no programa estatístico ASSISTAT, com comparação bifatorial de "combustível" e "carga no motor". Foram avaliadas as médias de consumo horário volumétrico, consumo específico do motor e do custo específico de cada combustível, pelo teste de Tukey em nível de 5% de probabilidade.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Trabalhos semelhantes que abordassem todos os custos de produção de biodiesel e que também englobassem todo o ciclo do combustível para ao final fornecer os dados em custo específico ainda não foram publicados, tornado a discussão dos dados com menor embasamento teórico.

Partindo da metodologia de cálculo de custos de produção da CONAB (2010) e por conceitos sugeridos por OLIVEIRA (2008), para a planta experimental avaliada em R$ 180.000,00, o custo fixo encontrado situa-se em R$ 0,06 por litro de biodiesel produzido, em que são considerados depreciação, juros, seguro e manutenção, independente da matéria-prima utilizada. Em média, o custo da matéria-prima representou 82,81% de todo o custo variável. O melhor custo de produção foi para o biodiesel de sebo bovino (R$ 2,01L^-1), sendo comparado com os demais na tabela 1.

A metodologia adotada evidenciou que os custos vão além dos gastos de produção, e aquisição, pois o consumo de cada combustível é distinto, concordando com CANAKCI (2007) e CORRÊA et al. (2008), a exemplo do que acontece com a gasolina e o etanol. Na melhor condição, o óleo diesel B2 apresentou custo específico de R$ 0,71kWh^-1, já, para os biodieseis, este ficou acima, sendo R$ 0,74kWh^-1, R$ 0,88kWh^-1, R$ 1,33kWh^-1 e R$ 1,41kWh^-1, para os originários de sebo bovino, óleo de frango, soja e girassol, respectivamente, conforme representa a figura 1.

Na melhor condição de funcionamento do motor (70% de carga), observou-se que os resultados de Chv, C_S e C$_S foram melhores para o óleo diesel B2, enquanto que, para 100% de carga, o biodiesel de sebo bovino se destacou com melhores resultados. O fato é perfeitamente compreendido já que o custo inicial dos dois combustíveis são muito próximos, indicando que o C_S e o C$_S foram balizados pelos Chv, distintos nas respectivas cargas.

Interpretando os resultados da análise estatística, médias do Fator 1, combustível, X as médias do Fator 2, carga aplicada ao motor, tem-se: o Chv é influenciado pela carga no motor em todos os combustíveis, sendo que para 70% de carga não há diferença significativa entre os combustíveis; com 100% de carga, o óleo diesel B2, biodiesel de sebo bovino e de óleo de frango são semelhante e diferem de biodiesel de soja e girassol.

O C_s é influenciado pela carga no motor em todos os combustíveis; comparando-se todas as médias do C_s com 70% de carga, verifica-se que não há diferença significativa entre os combustíveis; para 100% de carga, a testemunha é igual ao biodiesel de sebo bovino, de óleo de frango e soja; o biodiesel de girassol teve o pior resultado, diferindo do restante.

O C$_S é influenciado principalmente pelo custo unitário volumétrico peculiar dos cinco combustíveis e estatisticamente os resultados de C$_S mostram diferenças do biodiesel de soja e girassol com biodiesel de frango, sebo bovino e óleo diesel. No comparativo do fator carga para C$_S, são semelhantes apenas os biodieseis de sebo bovino e de óleo de frango (Tabela 2).

Embora realizado com intuito científico, lança-se mão dos resultados estatísticos quando se avaliam valores monetários ($), pois centavos podem significar semelhança conforme visto, porém, é inadequado usar dessa ferramenta para avaliação de dados econômicos, a fim de tomada de decisão.

CONCLUSÃO

A metodologia adotada não está especificada em norma, no entanto apresentou-se como uma alternativa para avaliação dos custos inseridos na produção e utilização de biodiesel, usando como comparativo o combustível padrão, o óleo diesel comercial. A produção de biodiesel em planta de pequeno porte, a partir das matérias-primas estudadas, não indicou economia monetária, quando comparados com o óleo diesel, revelando valores que inviabilizam a produção em pequena escala. Em escala crescente de valor, os resultados de custo (produção para biodiesel e aquisição de óleo diesel) ficaram representados por biodiesel de sebo bovino, seguido do óleo diesel B2, biodiesel de óleo de frango, soja e girassol e, para custo específico, os melhores resultados favorecem o diesel de petróleo, seguido de biodiesel originário de sebo bovino, frango, soja e girassol. Destacamos que o biodiesel de sebo bovino, além de apresentar um custo menor, é favorável também na autonomia, apresentando o melhor resultado econômico das quatro alternativas estudadas.

Recebido para publicação 15.01.11

Aprovado em 18.08.11

Devolvido pelo autor 14.09.11

CR-4810

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1

Autor para correspondência.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Nov 2011
• Data do Fascículo
  Nov 2011

Histórico

• Recebido
  15 Jan 2011
• Aceito
  18 Ago 2011