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Universidade Federal do Ceará Centro de Tecnologia Programa de

1. 51 Esquema do PID ISA adaptado de 78 56 Esquema do PID Paralelo adaptado de 78 56 Resposta ao degrau unit rio em malha aberta 64 2 58 Curva de resposta em forma S 64 58 Sistema de malha fechada com controlador proporcional 64 59 Oscila o sustentada com per odo Pep 64 59 Interface de Entradas e Sa das 84 69 Configura o de Entrada NPN 83 cl TO Configura o de Entrada PNP 83 70 Diagrama PID com raiz quadrada 83 cc 72 Rede de comunica o 83 yo ao eg ara oe awe oy 74 N veis de Rede 83 et Seg Wow raciais dust E 78 Integra o e produtos dos centros de pesquisa 88 xii xiii 4 2 Unidade de controle de vaz o da planta de biog s 4 3 Motor Gerador modelo B4T 5000 oaoa aaa aaa 4 4 Controlador l gico program vel e expans es o oo 4 5 V lvula proporcional de controle de vaz o 4 6 Sensor de temperatura TN2531 2 2 2 4 7 Sensor de press o PG2457 2 2 2 2 2 ee 4 8 Sensor de vaz o SD 5000 ag im Seg woe pe ge ae te we hd 4 9 Localiza o do biodigestor no LEA UFC 4 10 Dimens es do biodigestor modelo 4500 em metros 4 11 Sucatas encontradas na escava o 4 12 Trincheira para instala o do biodigestor 4 13 Trincheira modelada com as placas pr moldadas de
2. 2AP Qc KAV KA pl GAP 3 16 Os coeficientes de descarga Cd e de vaz o K s o determinados empiri camente e tabelados em fun o do di metro interno dos tubos e o n mero de 63 Reynolds Re que um par metro adimensional definido pela rela o entre as for as de in rcia rugosas do escoamento e as for as viscosas 81 O n mero de Reynolds definido pela Equa o 3 17 D Re e 3 17 Sendo e velocidade m dia do fluido e u viscosidade din mica do fluido e p massa espec fica do fluido e D di metro interno do tubo O fator determinante nos escoamentos em tubula es a perda de energia gerada pelos atritos internos do fluido e pelos atritos entre este e a tubula o Neste caso estes atritos s o gerados pelas asperezas das paredes dos tubos ou ainda em fun o da turbul ncia movimento ca tico das part culas gerada em fun o de varia es de dire o ou da pr pria se o do escoamento O n mero de Reynolds determina o regime de escoamento dos flu dos que pode ser laminar Re lt 2000 cr tico 2000 lt Re lt 4000 e turbulento Re gt 4000 A corre o do equacionamento utilizado em vaz o de fluidos compressi veis para vaz o de flu dos incompress veis pode ser obtida multiplicando a Equa o 3 16 por um fator de expans o isentr pico conforme a Equa o 3 18 QCcomp EQ Cincomp 3 Al 8 Os valores de variam seg
3. 34 Quando manejado adequadamente esse biodigestor pode produzir biog s com uma efici ncia de produ o variando entre 0 35 a 0 60 m de biog s por m de biomassa Para uma produ o economicamente aceit vel de biog s o manejo dos dejetos na unidade produtora de su nos deve buscar obter a maior concentra o poss vel de S lidos Vol teis e evitar o desperd cio de gua 54 Na Figura 2 4 mostrado um biodigestor do tipo tubular solar 55 Figura 2 4 Biodigestor Modelo Tubular Solar 55 O biodigestor do tipo tubular solar apresenta as seguintes vantagens e desvantagens Vantagens e Produ o cont nua de biofertilizante e biog s e Redu o de odores e insetos e F cil instala o e manuten o e Permite a transfer ncia do local de instala o Desvantagens e Investimento inicial em m o de obra operacional 35 e Produ o de biog s altamente dependente das condi es clim ticas e Escava o em solos pedregosos e Possibilidade de perfura o da lona pl stica 2 1 3 4 Mat ria Prima do Biodigestor A quantidade de g s produzida por dia varia de acordo com a mat ria prima utilizada temperatura interna propor o de substrato gua e pH e principalmente com a capacidade do biodigestor A mistura de gua vari vel de acordo com o material fresco ou seco e o seu tipo De um modo geral para os res duos agr colas verdes a rela o de 1 1 J para os e
4. Res duos 28 2 1 3 Modelos de Biodigestores Os biodigestores podem ser encontrados em diversos modelos indiano chi n s tubular cada qual com suas vantagens e desvantagens e caracter sticas pr prias de opera o Entretanto existem dois tipos b sicos de biodigesto res classificados de acordo com a freqii ncia de opera o os biodigestores em batelada e os biodigestores cont nuos Chama se de biodigestores em batelada aqueles que operam de forma descont nua o processo de biodigest o se d por cargas que s o inseridas no compartimento de fermenta o Este processo utilizado quando por algum motivo n o poss vel a alimenta o do biodigestor com mat ria org nica diariamente ou quando o consumo de biog s baixo n o exigindo uma produ o di ria do biog s Nos biodigestores em batelada a mat ria org nica inserida toda de uma s vez e ent o ele fechado hermeticamente de forma a n o permitir a entrada de oxig nio at que ocorra o processo de digest o anaer bia O biodigestor ser aberto novamente s quando a produ o de biog s cair indicando que a mat ria org nica j foi decomposta e que pode ser feita a retirada da mat ria restante o biofertilizante para caso seja necess rio ser inserida nova carga de mat ria org nica J os biodigestores de opera o cont nua operam com cargas di rias de mat ria org nica que se movimenta por meio de carga hidr
5. Tabela 5 2 Sistema com Aplica o das Cargas com Gasolina Intervalo de Tempo s Condi o de Funcionamento 0 22 5 Sistema Estabilizado 22 5 Perturba o Entrada das Cargas 2000 W 28 75 60 Estabilidade do Sistema com Carga 60 Sa da da Carga 2000 W 62 5 em diante Estabilidade do Sistema sem Carga 5 1 5 Controlador Centr fugo com Biog s Os procedimentos adotados para realizar o ensaio de carga foram similares ao do controlador centr fugo com gasolina com carga Por m ao realizar o de grau de carga foi necess rio realizar a abertura total da v lvula proporcional 100 e o ajuste manual da v lvula da c mara de expans o do g s a fim de obter a quantidade suficiente de combust vel biog s para o funcionamento correto do motor A resposta para o ajuste manual da vaz o com o sistema controlador centr fugo com biog s demonstrada na Figura 5 9 Frequ ncia Hz a a fam a s q 3 O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Tempo seg Figura 5 9 Curva da frequ ncia com ajuste manual do biog s Verificou se que ap s fechar a v lvula de gasolina e abrir bruscamente 118 a v lvula de biog s ocorreu o afogamento do motor sendo necess rio in iciar novamente o procedimento de partida e abertura lenta da v lvula de expans o Ao interromper o fornecimento de gasolina e iniciar a adi o lenta de biog s o motor pe
6. 79 Caracteristicas do conjunto motor gerador B4T 5000 Bio 90 91 Caracter sticas da v lvula Modelo TR24 SR T US 92 Caracter sticas do sensor de temperatura TN2531 93 Caracter sticas do sensor de press o PG245T 2 94 Caracter sticas do sensor de vaz o SD5000 2 96 C lculo do volume de carga 49 2 102 Sistema sem Aplica o das Cargas na Partida com Gasolina 116 Sistema com Aplica o das Cargas com Gasolina 117 Sistema controlador centr fugo com biog s com ajuste manual 118 Sistema com Aplica o das Cargas com biog s 118 Aplica o das Cargas com Controladores Simult neos 123 xi Lista de Figuras 11 21 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 3 15 3 16 4 1 Mapa de integra o eletroenerg tica do Brasil 22 12 Ciclo da biomassa e biodigestor 49 2 27 Biodigestor modelo indiano 48 ooo aa 30 Biodigestor modelo chin s 48 32 Biodigestor Modelo Tubular Solar 55 cc cc 34 Modelo simplificado de obten o de biog s 56 39 Perfil da matriz energ tica brasileira em 2009 61 41 Controle de feedback em um processo adaptado de 66 47 Controle feedforward em um processo adaptado de 66 49 Controle de feedback ON OFF 66 49 Sistema de Controle de Velocidade 64
7. feito atrav s de tubos est sujeito a entupimentos e Tem limita o ao tipo de solo Sua constru o em solos superficiais n o indicada e N o um biodigestor pr prio para ac mulo de g s devido a sua constru o de c pula fixa a rea de reserva de g s menor E um modelo mais indicado na produ o de biofertilizante e Suscet vel a problemas de estanquidade e Ocorr ncia de oscila es de press o de g s que s vezes s o muito altas para ser suportadas pela estrutura ou pelos equipamentos a g s e N o pode ser deslocado para outro lugar 33 2 1 3 3 Modelo Tubular Solar Os biodigestores tubulares conhecidos tamb m como digestores plug flow seu nome em ingl s ou de fluxo em pist o geralmente possuem uma rela o largura e comprimento igual ou superior a 1 5 A biomassa tem entrada cont nua em uma das extremidades do biodigestor passa atrav s do mesmo e descarregada na outra extremidade na mesma sequ ncia em que entrou O fluxo se processa como um mbolo sem misturas longitudinais As parti culas mant m sua identidade e permanecem no tanque por um per odo igual ao tempo de reten o hidr ulica Para garantir isso os biodigestores s o longos com uma elevada rela o comprimento largura na qual a dispers o longitudinal m nima 50 O primeiro registro do uso de biodigestores tubulares foi na Rep blica da frica do Sul em 1957 operando a 35 C com temp
8. o de caprinos um sistema produtivo praticado no Brasil e que est concentrado no semi rido nordestino cerca de 90 do rebanho nacional est na regi o Nordeste Outras cria es em destaque no Nordeste e que justificam seu aproveitamento energ tico s o bovino 13 8 Equino 25 suino 16 5 ovino 57 e galinhas 19 3 35 A instala o de usinas de produ o de energia em aterros tamb m cha madas de Unidades de Reciclagem Energ tica de Res duos S lidos Urbanos UREs j realidade em v rios pa ses do mundo J existem em fun cionamento cerca de 700 delas ao redor do globo enquanto ainda n o h nenhuma em funcionamento no Brasil 37 Um estudo da Associa o Brasi leira de Empresas de Limpeza P blica e Res duos Especiais Abrelpe listou as cidades brasileiras com mais de 500 mil habitantes e mostrou que o pa s produziu 57 milh es de toneladas de res duos s lidos somente em 2009 O lixo das 300 maiores cidades brasileiras poderia produzir 15 da ener gia el trica total consumida no pa s estimativa consta no Plano Decenal de Produ o de Energia 2008 2017 e considera todo o lixo recolhido nestes munic pios 13 Segundo o coordenador de Energia e Comunica es da Se cretaria estadual de Infraestrutura Seinfra do Governo do Estado do Cear a possibilidade de produ o de energia atrav s do lixo nos atuais aterros es palhados pelo Estado no Cear estimada de 10 a 12 MW de energi
9. 102 0 200 x i i 1 Sceecabecenred sassisqnssoes dances cen pSesseapassesa pe sseseqesseheqasees se Resposta Frequ ncia e Vaz o mador de Minimos Quadrados Recursivos Frequ ncia Vaz o de G s pedssssqeadesan 70 0 Jors s 30 4 Tempo seg Figura 5 11 Curva de resposta frequ ncia e vaz ZH elouanbes m o ajuste de abertura por 3 100 Amostras 1 seg ao foi substituido pelo acionamento da v lvula propor Figura 5 12 Curva da vaz o real e vaz o estimada pelo MQR cional Os par metros estabelecidos do controlador PI foram obtidos atrav s do auxilio do Matlab Simulink Figura 5 13 sendo considerados suficientes ram os mesmos crit rios de valores das cargas da v lvula de expans 121 para os ensaios iniciais os valores Kp 10 009 e Ki 0 186 estabelecidos pelo sintonizador tuning tool do bloco PID z 0 0074740 007272 1 1 2672740 280872 PID Paralelo Unit Delay4 Figura 5 13 PID paralelo Matlab Simulink A simula o da resposta ao degrau utilizando o controlador PID em ambiente computacional Matlab Simulink utilizando os par metros Kp 10 009 Ki 0 186 e Kd 5 513 demonstra que o sistema est vel e com tempo de estabiliza o do sistema em 18 segundos A resposta ao degrau apresentada na Figura 5 14 Amplitude 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Time sec Figura 5 14 R
10. gico 1 5V 15V Conectores DB25 por norma DB9 usual Canal de comunica o full duplex TT Tabela 3 6 Especifica o da comunica o serial RS485 83 Tipo de Rede multi ponto at 32 transmissores ou receptores Dist ncia M xima 1200m M xima Taxa de Transmiss o 10M bps N vel El trico n vel l gico 0 5V 15V n vel l gico 1 5V 15V Conectores n o definido Canal de comunica o half duplex 3 7 5 Protocolos de comunica o Protocolos de comunica o s o conjuntos de regras que definem a forma como os dispositivos devem se comunicar Existem protocolos que definem desde as caracter sticas f sicas de interliga es entre dispositivos at como deve ocorrer o gerenciamento das mensagens Para 82 os protocolos de comunica o podem ser divididos em 3 n veis conforme a Figura 3 16 N vel de Planta no n vel da planta temos a supervis o e gerenciamento de todo processo que normalmente ocorre atrav s de um software supervis rio De uma forma resumida as a es associadas a este n vel s o e Supervis o e Comando e Planejamento e Banco de Dados Nesse n vel pode se citar como exemplo as redes Profinet Ethernet IP e Fieldbus Foundation HSE N vel de Controle este nivel permite o controle sobre as a es do nivel de campo em fun o das defini es e comandos
11. o de 20 dias seria poss vel produzir 6 24 milh es de m de biog s e aproximadamente 8 9 milh es de KWh 2 1 4 Biog s O biog s uma mistura de gases resultante da decomposi o de mat ria org nica pela a o de bact rias anaer bias na aus ncia de oxig nio O biog s composto principalmente por metano CH4 que o principal ele mento representando cerca de 60 a 80 na composi o do total de mistura e di xido de carbono C 05 encontrando se ainda em menores propor es g s sulf drico e nitrog nio Inicialmente o termo biog s estava associado aos di versos nomes atribu dos a ele como g s dos p ntanos g s de aterro g s de digestor e g s da fermenta o Atualmente o termo refere se de forma geral aquele g s formado a partir da degrada o anaer bia da mat ria org nica O metano um g s incolor altamente combust vel queimado com chama azul lil s sem deixar fuligem e com um m nimo de polui o que o ideal para redu o do efeito estufa Em fun o da porcentagem com que o metano participa na composi o do biog s o poder calor fico deste pode variar de 5 000 a 7 000 kcal por metro c bico Esse poder calor fico pode chegar a 12 000 kcal por metro c bico uma vez eliminado todo o g s carb nico da mistura A mat ria prima usada na produ o do biog s de origem orga nica s o aproveitados materiais como esterco humano e de animais palhas baga o de vegetais e l
12. 76 Assim como o RS422 o RS485 utiliza linha de dados balanceada bastante similar s linhas de dados da interface RS422 logo tamb m permite comuni ca o em dist ncias de at 1200 metros de maneira extremamente confi vel O fluxo de dados podem ser divididos em e Canal simplex canal no qual a dire o de transmiss o inalterada e Canal half duplex um canal f sico simples no qual a dire o pode ser revertida As mensagens podem fluir nas duas dire es mas nunca ao mesmo tempo e Canal full duplex permite que mensagens sejam trocadas simultanea mente em ambas as dire es Pode ser visto como dois canais simplez um canal direto e um canal reverso Nas Tabelas 3 4 3 5 e 3 6 dada as especifica es da comunica o serial RS232 RS 422 e RS485 respectivamente Tabela 3 4 Especifica o da comunica o serial RS232 83 Tipo de Rede Ponto a Ponto Dist ncia M xima 15m Maxima Taxa de Transmissao 20kbps Nivel El trico nivel l gico 0 5V 15V n vel l gico 1 5V 15V Conectores DB25 por norma DB9 usual Canal de comunica o full duplex possibilidade half duplez Tabela 3 5 Especifica o da comunica o serial RS422 83 Tipo de Rede Ponto a Ponto Dist ncia M xima 1200m M xima Taxa de Transmiss o 10M N vel El trico n vel l gico 0 5V 15V n vel l
13. No caso de sistemas lineares uma abordagem para identifica o construir uma fun o de transfer ncia re presentando o comportamento do processo em tempo discreto ou cont nuo usando o Princ pio da Superposi o sendo que o estado inicial suposto ser zero As fun es de transfer ncia s o fun es que modelam o comporta mento din mico de um par entrada sa da de um sistema ou seja descrevem como uma determinada entrada dinamicamente transferida para a sa da do sistema A identifica o de sistemas n o lineares dif cil pois o princ pio da su perposi o n o pode ser usado e a rela o entrada sa da pode depender do estado atual e ou hist rico do sistema Al m disso o sistema pode ter muitos estados para os quais a sa da constante ou zero O processo de modelagem de um determinado sistema din mico pode resultar num modelo de estrutura complexa Em tais casos m todos de re du o de modelos podem ser utilizados para se obter uma representa o mais simples do processo Os sistemas h bridos inteligentes representam um dire cionamento alternativo para a solu o de problemas em sistemas de controle e identifica o principalmente aqueles que envolvem n o linearidades 3 3 Controlador Centr fugo O controle autom tico atrav s de regulador centr fugo Figura 3 4 foi desenvolvido por James Watt em 1788 64 Baseia se no princ pio de rea o ao comportamento anormal do processo
14. S 3 11 Substituindo a Equa o 3 11 na Equa o 3 10 obtem se a Equa o 3 12 2AP 9 3 12 A equa o de Bernoulli n o pode ser diretamente usada para escoamentos 62 reais j que na pr tica h perda de carga por causa da viscosidade do fluido e da rugosidade da tubula o Segundo 80 a Equa o 3 12 puramente te rica principalmente pelo fato de se considerar que nas se es 1 Aj e 2 As as velocidades s o uniformemente distribu das e iguais a Ve Vz respectivamente Um coeficiente adimensional de descarga Cd inclu do para levar em considera o esse fator Os valores de Cd s o resultado de estudos experimentais realizados para diversos tipos de restri es industrialmente empregados De acordo com o mesmo autor o coeficiente de descarga definido como a raz o real Qr e a vaz o te rica Qt conforme a Equa o 3 13 _ Qr Qt A partir da Equa o 3 13 define se o coeficiente de vaz o K dado pelo Cd 3 13 produto do coeficiente de descarga Cd e pelo fator de velocidade de aproxi ma o E definida como a Equa o 3 14 K CdE 3 14 Onde o fator de velocidade de aproxima o E calculado pela Equa o 3 15 E i 3 15 4 1 8 O coeficiente 5 definido pela rela o entre di metro do medidor e da tubula o medidor q tubula o Aplicando a Equa o 3 14 na Equa o 3 12 obtida a Vaz o Corrigida Qc conforme a Equa o 3 16
15. Seu funcionamento se d atrav s de mecanismos que utilizam a for a centr fuga para realizar uma a o de 5l Cilindro de leo sob lt pot ncia b n press o 2 V lvula piloto Motor de combust o interna Fechada Aberta Combust vel V lvula de controle Figura 3 4 Sistema de Controle de Velocidade 64 corre o na vari vel controlada O regulador ajustado de modo que velocidade desejada n o haja fluxo de leo sob press o em ambos os lados do interior do cilindro de pot ncia Se a velocidade real cai abaixo do valor desejado devido a um dist rbio ent o a diminui o na for a centr fuga do regulador de velocidade faz com que a v lvula de controle se mova para baixo fornecendo mais combust vel e a velocidade do motor aumente at atingir o valor desejado Por outro lado se a velocidade do motor aumenta acima do valor desejado ent o o aumento da for a centr fuga do regulador de velocidade faz com que a v lvula de controle se desloque para cima Isso diminui o suprimento de combust vel e a velocidade do motor reduzida at atingir o valor esperado Nesse sistema de controle de velocidade a planta sistema a controlar o motor e a vari vel controlada a velocidade do eixo do motor A diferen a entre a velocidade desejada e a velocidade real o sinal de erro O sinal de controle quantidade de combust vel a ser aplicado planta mo
16. digo de sa da para sair do modo on line e Tela 02 Tela de Menu A tela de menu Figura 4 27 permite o usu rio acessar as telas de in terface com o operador monitorar as vari veis em tempo real do conjunto motor gerador vari veis do controle de vaz o press o e temperatura e co letar as vari veis em forma de relat rio com intervalo de 15 minutos Na tela de menu poss vel realizar o acionamento individual das cargas quatro l mpadas halogenas de 500 W 106 Universidade Federal do Cear UFC Laborat rio de Energias Alternativas LABORAT RIO DE ENERGIAS ALTENATIVAS LEA a ma ES Figura 4 26 Tela de abertura identifica o do usu rio Universidade Federal do Cear Menu Laborat rio de Energias Alternativas LABORAT RIO DE ENERGIAS ALTENATIVAS Rota o T i Th Ii IT Conjunto Motor Gerador a E DM Gravar Relat rio Apagar MS min Relat rio Figura 4 27 Tela de menu e Tela 03 Tela do Motor e Gerador A tela do motor e gerador Figura 4 28 permite o usu rio navegar para outras telas al m de permitir o monitoramento das vari veis de frequ ncia rota o do eixo tens o e corrente de sa da do gerador de eletricidade e Tela 04 Tela de Relat rio de Frequ ncia A tela de relat rio de frequ ncia Figura 4 29 permite o usu rio acompanhar a evolu o da frequ ncia do gerador assi
17. gerador acionado atrav s da partida el 116 Tabela 5 1 Sistema sem Aplica o das Cargas na Partida com Gasolina Intervalo de Tempo s Condi o de Funcionamento 4 8 5 6 Partida do Motor 5 6 13 2 Oscila o no Sistema 13 2 em diante Estabilidade do Sistema trica Ap s 10 minutos trabalhando em regime permanente para aquecer o motor e estabilizar a frequ ncia da planta foi inserida uma carga de 2000 W quatro l mpadas halogenas de 500 W Atrav s do CLP e sistema super vis rio foram armazenadas no banco de dados as informa es de resposta do sistema curva de resposta do sistema apresentada na Figura 5 8 41 E SITE E SE SN A e pat pa Sep a mM azi T on T Frequ ncia Hz a wens A 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Tempo seg Figura 5 8 Curva de frequ ncia do controlador centr fugo com gasolina No ensaio foi observado que no momento do acionamento da carga o controlador centr fugo reage ao erro na frequ ncia e faz o motor oscilar a rota o resultando em uma amplitude m xima de frequ ncia de 17 Hz A estabiliza o do sistema com a presen a das cargas apresenta uma varia o de frequ ncia de 4 Hz e erro de amplitude permanente e 8 Hz amplitude m xima de sa da da Carga Na Tabela 5 2 detalhada o comportamento da partida do conjunto mo tor gerador com as cargas em fun o do tempo 117
18. in memorium e Ernestina aos meus irm os Andr ia e J nior que sempre estiveram ao meu lado me incentivando a transpor todos os desafios pessoais e profissionais aos meus filhos Sabrina e Matheus por todo amor e carinho aos meus tios Jos Otoni Tuti Ernesto Pimentel Tuca Roberto e Concei o pelos conselhos e ensinamentos iv Agradecimentos Agradecimento especial ao meu orientador Professor Paulo Carvalho e a Professora Laurinda L cia Nogueira dos Reis pela amizade dedica o aten o paci ncia e apoio durante a elabora o deste trabalho Ao Banco do Nordeste pelo apoio financeiro para a instala o da Planta de Produ o de Biog s do Laborat rio de Energias Alternativas da UFC Recolast Ambiental pela doa o do biodigestor tubular Lubnor Petrobr s por realizar a an lise qu mica do biog s produzido no Laborat rio de Energias Alternativas da UFC A todos os colegas do Servi o Nacional de Aprendizagem Industrial do Cear SENAI CE especial os amigos Tarcisio Bastos e M nica Machado que sempre acreditaram no meu trabalho Aos colegas do Departamento de Ind stria do Instituto Federal de Educa o Ci ncia e Tecnologia do Cear IFCE Geraldo Ramalho Jos Renato Cl udio S Evaldo Mota Clayton Ricarte e Agamenon Gois pelo incentivo e colabora o A minha namorada Danielle e aos amigos Nuno Monteiro e Eduardo Mac rio que com amor carinho dedica o paci n
19. o destes meios alternativos e descentralizados de energia Pensando assim avaliar o poten cial energ tico de biomassa exclusiva do semi rido pode trazer benef cios econ micos ambientais e energ ticos regi o Segundo 41 os problemas epidemiol gicos constatados no meio rural est o relacionados com os agentes causadores de infec es dentro das pro priedades A preven o dos fatores que contribuem para sua ocorr ncia pro tegem os animais contra o risco de infec es e o p blico contra zoonoses ou outros riscos sanit rios provocados pelo lan amento de res duos no ambiente O ac mulo de dejetos pode criar um ambiente prop cio para plorifera o de vetores transmissores de doen as Do ponto de vista sanit rio os d pteros s o considerados os insetos mais importantes Contudo os pernilongos e borrachudos s o hemat fagos podendo veicular doen as como a mal ria a febre amarela ou a filariose As moscas dom sticas Musca domestica e varejeiras Chrysomya spp s o vetores de febre tif ide disenteria poliomielite entre outras doen as 24 Criadas em ambiente mido contendo esterco e palhas ou res duos de ra es a mosca de est bulos ou mutuca Stomozys Calcitrans machos e f meas sugam sangue dos animais A ocorr ncia desses d pteros pode deter minar a perda de sangue e a redu o no ganho de peso dos animais al m da transmiss o de doen as aos animais e s pessoas como a a
20. primeira vez Se a sa da n o exibe uma oscila o sustentada para qualquer valor que K pode assumir ent o esse m todo n o se aplica Portanto o ganho cr tico Ker determinado utilizando o m todo do lugar das ra zes e o correspondente per odo P determinados pela frequencia de oscila o cr tica sustentada wer onde 27 we Per como pode ser visto na Figura 3 10 r t u t c t Figura 3 9 Sistema de malha fechada com controlador proporcional 64 c s Figura 3 10 Oscila o sustentada com per odo Pa 64 Ziegler e Nichols sugeriram escolher os valores de K K e Ka baseados no ganho cr tico Ker e per odo cr tico P de acordo com a Tabela 3 2 3 6 Controle de Vaz o A medi o exata do fluxo de fluido muito importante em muitas aplica 60 Tabela 3 2 Sintonia de Ziegler e Nichols baseada em Ker e Per 64 Tipo de Controlador Kp T Ta P 0 5 Ker 00 0 PI 0 45 Ker Por 1 2 0 PID 0 6K 0 5P 0 125 Por es industriais A qualidade e desempenho de diversos processos industriais exigem determinadas vaz es de fluxo O custo de alguns liquidos e gases como exemplo os combustiveis tem como par metro de valor o fluxo me dido atrav s de um sistema de monitoramento tornando se necess rio para efeitos de contabilidade para medir com precis o e controlar a taxa de fluxo Segundo 77 a vaz o a terceira grandeza mais medida nos processo
21. resultante da decomposi o de dejetos animais em lugares midos Ao que parece apenas em 1857 em Bombaim ndia foi constru da a primeira instala o operacional destinada a produzir g s combust vel para um hospital de hansenianos Nessa mesma poca pesqui sadores como Fisher e Schrader na Alemanha e Grayon na Fran a entre ou tros estabeleceram as bases te ricas e experimentais da biodigest o anaer bia Posteriormente em 1890 Donald Cameron projetou uma fossa s ptica para a cidade de Exeter Inglaterra sendo o g s produzido utilizado para ilumina o p blica Inegavelmente a pesquisa e desenvolvimento de biodigestores se desen volveram muito na ndia onde em 1939 o Instituto Indiano de Pesquisa Agr cola em Kanpur desenvolveu a primeira usina de g s de esterco O sucesso obtido animou os indianos a continuarem as pesquisas formando o Gobar G s Institute 1950 Tais pesquisas resultaram em grande difus o da metodologia de biodigestores como forma de tratar os dejetos animais obter 26 biog s e ainda conservar o efeito fertilizante do produto final Foi esse tra balho pioneiro realizado na regi o de Ajitmal norte da ndia que permitiu a constru o de quase meio milh o de unidades de biodigest o no interior daquele pa s No Brasil os biodigestores rurais tiveram maior desenvolvimento na d cada de 80 quando contaram com grande apoio dos Minist rios da Agricultura e de Minas
22. the reduction of the response time for at least 20 showing a satisfactory response and a stability for the transition from gasoline to biogas with 10 Hz amplitude and 8 seconds for the system stabilization with load This action was considered feasible to automate the process of starting up of the gen set Keywords Biogas Digesters PI algorithm Control Flow Monitoring System Sum rio Resumo Lista de Tabelas Lista de Figuras Lista de Abreviaturas 1 Introdu o 1 1 Contextualiza o te ec a he ee ed ee wed Sk 1 1 1 Sistemas Centralizados de Gera o El trica no Brasil 1 1 2 Fontes Alternativas e Sistemas Descentralizados 1 1 2 1 Panorama Internacional 1 1 2 2 Panorama no Brasil 1 1 3 Dificuldades na Gera o Descentralizada w25 MOTIVI oxic to deh E ae Sey Mt a Se o adhe oh ESE CO Sees a aes 12 1 Redu o da Polui o Ambiental 2 1 2 2 Custos de Manuten o e Produ o de Eletricidade 1 2 3 Disponibilidade de Biomassa no Brasil 1 2 4 Considera es ote ae a Au GU E tp Ee E ig TE 13 Metodologia es c ar at ASIA Ge dd ee SS EES Gi CASS Ss TAY Objetivos us sea E er Bd at E ta d SAD ud a Se eed eS 1 5 Estrutura da Disserta o 4 42 4ee oe eee bY as 2 Biodigestores 2A Ciontexinaizac o o wx soso ws Bie mew ees BSH Ee BSH SOU Dod BIOMASSA airs de oe op Sl lt p Gu ay Sul ee Maal tae Lb cae ce ot tao cee ge oh ds 2 1 2 B
23. xima de oscila o da frequ ncia de 16 Hz erro permanente de 5 Hz e a sa da da carga apresentou uma oscila o com amplitude m xima de 7 Hz Tabela 5 5 Aplica o das Cargas com Controladores Simult neos Intervalo de Tempo s Condi o de Funcionamento 0 8 Sistema estabilizado gasolina 8 Mudan a de gasolina para biog s 16 28 Estabiliza o do Sistema sem Cargas 28 Pertuba o Entrada das Cargas 2000 W 38 Estabiliza o do Sistema com Cargas 70 Sa da da Carga 2000 W 79 em diante Estabiliza o do Sistema sem Carga 5 1 7 Controlador PI com Biog s Para realizar o ensaio somente com controlador PI faz se necess rio desa coplar o controlador centrifugo O desacoplamento da haste com o motor em funcionamento ocasiona a acelera o demasiada do motor al m de desregular o controlador centr fugo Assim para realizar o ensaio utilizando apenas o controlador PI a haste do controlador centr fugo foi desacoplada com o mo tor desligado e atrav s do parafuso de regulagem de marcha lenta foi ajustada a rota o minima de funcionamento do conjunto motor gerador A partida do motor foi realizada utilizando apenas o biog s Na Figura 5 17 pode ser observada a resposta do sistema quando utilizado apenas o controlador PI para o controle da v lvula proporcional No gr fico observado que o motor utilizando biog s entra em funcio namento ap s 10 segundos Ap s esse procedi
24. 1 mostra a integra o e os produtos gerados entre os centros de pesquisa assim como se apresentam os problemas e as solu es referentes esses produtos 88 Hortigranjeiros Fruticultura Carne leite couro Engenharia Agricola Zootecnia Fitotecnia Excrementos Refugos solu o Biogas Calor Eletricidade Engenharia El trica Biofertilizante Figura 4 1 Integra o e produtos dos centros de pesquisa Dentre os Departamentos do Centro de Ci ncias Agr rias o que possuem produtos comuns para a integra o com o Centro de Tecnologia s o Engen haria Agr cola Zootecnia e Fototecnia pois analisando as mat rias primas utilizadas nos processos dos centros constata se que o refugo ou subproduto gerado em cada rea corresponde a necessidade do outro Na Figura 4 1 observa se que os produtos dos departamentos de En genharia Agr cola Zootecnia e Fitotecnia s o hortigranjeiros frutas carnes leite e couro mas que no processo de produ o desses produtos gerado os excrementos e refugos tais materiais quando n o utilizados podem propor 89 cionar doen as e odores desagrad veis Por m para o Centro de Tecnologia Engenharia El trica esses excrementos e refugos podem se apresentar como uma solu o sendo utilizado como mat ria prima para os biodigestores Atrav s do biodigestor produzido o biog s para gerar calor e eletricidade al m do bioferi
25. 1Km 100m tacao Redundancia sim sim sim nao Areas Classificadas nao nao sim sim Meio Fisico El trico e El trico e El trico e El trico e Optico Optico Optico Optico Cobertura Geogr fica Grande Grande M dia Pequena Num ambiente industrial cada vez mais complexo e competitivo os fa tores relacionados com a disponibilidade e seguran a da informa o assu mem elevada relev ncia tornando se necess rio garantir que a informa o esteja dispon vel e segura quando necess ria independentemente da locali za o geogr fica Torna se portanto necess rio implementar mecanismos de acessibilidade mecanismos de seguran a e mecanismos de toler ncia a falhas O supervis rio visto como o conjunto de programas gerado e configurado no programa b sico de supervis o implementando as estrat gias de controle e supervis o que t m recursos como as telas gr ficas de interfaceamento homem m quina a aquisi o e tratamento de dados do processo a ger ncia de relat rios e alarmes 3 8 Softwares Supervis rios Os sistemas supervis rios s o programas que permitem monitorar e contro lar diversas vari veis de uma plnta de processo Os sistemas supervis rios podem ter uma arquitetura aberta ligados em rede permitindo que o fluxo 80 de dados do processo ultrapasse o limite das paredes da empresa e percorra o mundo atrav s dos meios de comunica o existentes Existem atualmente v rios sistemas supervis
26. 2010 17 IEDI Pol ticas para promo o da econ mia verde a experi ncia internacional e o Brasil Instituto de Estudos Para o Desenvolvimento Industrial Rio de Janeiro Novembro 2010 18 GREENPEACE A caminho da sustentabilidade energ tica como desenvolver um mercado de renov veis no Brasil Greenpeace Brasil 2008 132 19 NOUNIA M MULLICKB S KANDPALB T Biomass gasifier projects for decentralized power supply in India a financial evaluation Energy Policy v 35 n 2 p 1373 1385 February 2007 20 PORTUGAL G de Estrat gia Nacional para a Energia 2020 Miniprodu o de electricidade Governo de Portugal Dispon vel em lt http www portugal gov pt gt Acesso em Mai 2011 21 SANTOS L Aplica o de indicadores de desempenho em avalia es estrat gicas para estudos de viabilidade em empreendimentos de gera o descentralizada em sistemas isolados 2008 109f Disserta o Mestrado em Ci ncias Cont beis Universidade Federal de Itajub UNIFEI Itajub 22 ONS Mapas do SIN Operador Nacional do Sistema El trico Dispon vel em lt http www ons org br gt Acesso em Mai 2011 23 KEJUN Q A hybrid power system using wind and diesel generator a case study at Masirah Island in Oman Proceedings of the 20th International Conference and Exhibition on Elctricity Distribution p 1 4 2009 24 ANEEL Matriz de energia El trica Ag ncia Nacional de Energia El trica 3 ed B
27. adaptativo em tempo real o algoritmo do estimador de par metros deve ser interativo com o modelo do sistema sendo atualizado a cada per odo de amostragem quando novas medidas est o 85 disponiveis ou seja adequar se as caracteristicas do processo controlando ou ressintonizar se caso existam varia es na din mica do processo O m todo de estima o dos m nimos quadrados recursivo MQR um dos mais populares e comumente utilizado em esquemas de identifica o de par metros 87 onde a quantidade de dados armazenados no estimador recursivo pequeno se comparado com o estimador n o recursivo Os algoritmos Recursivos MQR utilizam pouca mem ria e pequeno esfor o computacional Em cada per odo de amostragem novas medidas tornam se dispon veis e s o utilizadas com o modelo atual para gerar um novo erro de modelagem 87 Em cada per odo de amostragem novas medidas tornam se dispon veis e s o atualizadas com o modelo atual para gerar um novo modelo estimado Por exemplo no instante de tempo t 1 novas medidas u t 1 e y t 1 ocorrem Em vez de recalcular o estimador dos m nimos quadrados inter essante atualizar as estimativas anteriormente calculadas no instante t 6 t para obter novas estimativas 0 t 1 Outros nomes atribuidos na literatura ao estimador recursivo s o esti ma o sequencial identifica o em tempo real identifica o on line A forma recursiva dada pela
28. aumentar a oferta de energia por meio do incentivo a novos investimentos especialmente os do se tor privado e diversificar a origem da gera o de energia no Pa s fortemente baseada nas usinas hidrel tricas 7 Sob esse contexto o Governo Brasileiro decidiu implementar diversas mu dan as no setor el trico O processo de privatiza o das empresas de distri bui o de energia el trica teve in cio em 1995 Em 1996 foi criada a Ag ncia Nacional de Energia El trica ANEEL com vistas a monitorar e homoge neizar as atividades do setor 8 O Governo Federal lan ou em novembro de 2003 o desafio de acabar com a exclus o el trica no pa s Foi o Programa Luz Para Todos que teve a meta de levar energia el trica para mais de 10 milh es de pessoas do meio rural at o ano de 2008 onde a previs o de investimentos foi de R 20 bilh es Nesse programa o Governo Federal participaria com R 14 3 bilh es pro venientes de fundos setoriais de energia e o restante seria partilhado entre governos estaduais e as empresas de energia el trica No balan o divulgado de 2009 ap s oito anos do programa mostra que 90 da meta de 2010 que de 2 6 milh es de fam lias atendidas foi alcan ada e desde sua cria o at novembro de 2010 mais de 13 milh es de pessoas foram beneficiadas com luz el trica nas suas casas A expectativa do programa foi de que at abril de 2011 a previs o seriam integralmente cumprida mas
29. biliza o atuando no mercado de revestimentos do Brasil e Am rica Latina O modelo 4500 um equipamento de constru o simplificada Por m complexo na sua hidrodin mica e interrela es f sico qu micas As bact rias transforma a mat ria org nica crua em biofertilizante de alta qualidade biol gica que atua como fertilizante foliar redicular e como bioinseticida tendo como res duo gasoso o biog s A escava o da trincheira para o biodigestor foi executada seguindo as recomenda es do fabricante paralela ao Laborat rio de Energias Alterna tivas da UFC conforme a Figura 4 9 para facilitar futuras amplia es As dimens es do Biodigestor Modelo 4500 podem ser vistas na Figura 4 10 Para 41 o biodigestor deve ser instalado em localiza o estrat gica pr ximo s instala es curral aprisco pocilga para facilitar o transporte do esterco ao local de aplica o do biofertilizante e da utiliza o do biog s Considerando a impossibilidade de atingir o ideal mais f cil transportar o esterco para o biodigestor do que o biofertilizante para rea agr cola devido ao aumento substancial do volume 97 Figura 4 9 Localiza o do biodigestor no LEA UFC 4 Vistas ji A Planta B Longitudinal A C Transversal m 13 U J BA 95 044 B C Figura 4 10 Dimens es do biodigestor modelo 4500 em metros Alguns par metros devem ser considerados n
30. da do bio biodigestor digestor pontos mais baixos e com o tempo impede a passagem do biog s Desta forma a tubula o que conduz o biog s deve ter pontos mais baixos com drenos que funcionam como v lvula de seguran a O dreno pode ser feito com uma conex o T da qual sai um tubo ou mangueira que deve ser mer gulhado em gua dentro de uma garrafa ou caixa de concreto chamado de borbulhador que est sob a a o da press o atmosf rica Quando o biog s borbulhar dentro do dreno indica que o gas metro est cheio press o maior que a atmosf rica ent o o biog s deve ser utilizado para aliviar a press o no biodigestor O biog s n o deve ser liberado diretamente ao ambiente sem a combust o queimador exceto na primeira opera o quando o biog s est misturado com o ar atmosf rico para evitar a emiss o de gases de efeito estufa GEE As Figuras 4 19 e 4 20 mostram o borbulhador e o queimador da planta de produ o de biog s do LEA respectivamente 4 6 2 Carga do Biodigestor Foi utilizado para abastecer a caixa de entrada do biodigestor esterco de caprino e gua na propor o de 1 4 Figura 4 21 de acordo com o sugerido por 41 conforme a Tabela 4 6 para realizar a carga do biodigestor do LEA e um tempo de reten o hidr ulica de 30 a 40 dias O esterco foi cedido pela empresa Capril Said localizada no munic pio de 102 Figura 4 19 Borbulhador da Figura 4 20 Queimador da planta plan
31. de fermenta o e evitar entupimentos dos canos de entrada e sa da do material O abastecimento tamb m dever ser cont nuo ou seja geralmente alimen tado por dejetos bovinos e ou su nos que apresentam uma certa regularidade no fornecimento de dejetos Do ponto de vista construtivo apresenta se de f cil constru o contudo o gas metro de metal pode encarecer o custo final e tamb m dist ncia da propriedade pode dificultar e encarecer o transporte inviabilizando a implanta o deste modelo de biodigestor Na Figura 2 2 mostrado o biodigestor modelo indiano 48 O biodigestor do tipo indiano apresenta as seguintes vantagens e desvan tagens Vantagens e O digestor do modelo indiano constru do enterrado no solo e como a temperatura do solo pouco vari vel o processo de fermenta o que ocorre em seu interior tem a vantagem de sofrer pouca varia o de temperatura A temperatura elevada favorece a a o das bact rias respons veis pelo processo de fermenta o anaer bica e a sua queda provoca uma menor produ o de biog s 30 Figura 2 2 Biodigestor modelo indiano 48 e Ocupa pouco espa o do terreno porque sua maior extens o vertical e Em termos de custos sendo as paredes de seu digestor constru das dentro do solo o modelo dispensa o uso de refor os tais com cintas de concreto o que reduz custos Desvantagens Quando a camp nula for de metal ela est sujeita
32. de energia el trica Estas caracter sticas fo ram imperativas para a implanta o de um sistema de transmiss o de longa dist ncia Com o objetivo de ampliar a confiabilidade otimizar os recursos energ ticos e homogeneizar mercados foi criado o Sistema Interligado Nacio nal SIN o qual respons vel por mais de 95 do fornecimento nacional Sua opera o coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema El trico ONS Em termos de uso final a energia el trica o principal componente da matriz energ tica brasileira sendo respons vel por cerca de 39 enquanto os derivados de petr leo contribuem com 31 e as outras fontes nuclear carv o biomassa e lica solar s o respons veis por apenas 30 11 Segundo 12 no per odo de 1994 a 2001 as usinas usaram mais gua para gerar energia do que receberam de chuvas De 1991 a 2001 o consumo de eletricidade cresceu 4 1 e a capacidade de produ o 3 3 em m dia ao ano A defasagem entre o crescimento da oferta e da demanda superior a 10 nessa d cada De acordo com dados do Banco de Informa es de Gera o da Ag ncia Nacional de Energia El trica BIG ANEEL a capacidade instalada total do sistema el trico brasileiro em Dezembro 2009 englobando as unidades ge radoras do Sistema Interligado Nacional SIN e tamb m aquelas instaladas nos sistemas isolados bem como a autoprodu o gera o de energia el trica instalada no local do con
33. de transforma o t m a influ ncia direta sobre a qualidade de um produto acabado Isso envolve a manipula o de muitas vari veis a fim de conseguir o controle autom tico e ideal O n mero de vari veis manipuladas depende do produto que est sendo fabricado Normalmente mais de uma vari vel monitorada e controlada As vari veis mais encontradas na ind stria de transforma o s o press o temperatura n vel vaz o condutividade visco sidade e peso 3 1 1 Formas de Controle Os sistemas de controle podem ser divididos em malha aberta e malha fechada O sistema em malha aberta consiste em aplicar um sinal pr determinado esperando se que ao final de um determinado tempo a vari vel controlada atinja um determinado valor Ou seja o sistema de controle em malha aberta aquele o qual a a o de controle independente da sa da 46 Portanto a sa da n o tem efeito na a o de controle Neste caso a sa da n o medida e nem comparada com a entrada O sistema em malha fechada ao contr rio da malha aberta a informa o assim realimentada atrav s de transdutores da vari vel controlada para uma vari vel manipulada com o objetivo de atingir o valor desejado na vari vel controlada O sistema de controle em malha fechada aquele no qual a a o de controle depende de algum modo da sa da Portanto a sa da possui um efeito direto na a o de controle Neste caso a sa da sempre
34. do biog s no Brasil 2009 105f Disserta o Mestrado Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ Rio de Janeiro 40 CAMPOS M C M M TEIXEIRA H C G Controles T picos de Equipamentos e Processos Industriais 3 ed S o Paulo Edgard Blucher 2006 416 p ISBN 9788521203988 41 QUADROS D Biodigestor na agricultura familiar do semi rido 1 ed Salvador EDUNEB 2009 96 p ISBN 978 85 7887 057 7 42 SMIL V General Energetics 1 ed New York John Wiley 1985 426 p 43 NOGUEIRA L A H LORA E E S Dendroenergia Fundamentos e aplica es 2 ed Porto Alegre Interci ncia 2003 199 p 44 ROMA P Biodigestor Alternativa para o Manejo de Lixo em reas Ecotur sticas 2003 46f Monografia Especializa o Universidade de Bras lia UNB Bras lia DF 45 COELHO A et al Medidas mitigadoras para a redu o de emiss es de gases de efeito estufa na gera o termel trica 2 ed Bras lia DF Dupligr fica 2000 222 p 135 46 PALHARES J et al Utiliza o de indicadores para avaliar a receptividade de propriedades ao processo de biodigest o anaer bia Boletim T cnico 3 Embrapa Su nos e Aves Conc rdia 2006 47 CANAFISTULA F Biodigestor como op o de fonte energ tica para comunidades rurais do semi rido 2009 93f Disserta o Mestrado em Engenharia El trica Universidade Federal do Cear UFC Fortaleza 48 DEGANUTTI R et al Biodigestores rurai
35. do aquecimento global Sua contribui o s n o maior que a do g s carb nico CO2 respons vel por 70 do total Em Portugal as normas relativas aos aterros sanit rios imp em hoje em dia a drenagem a extra o o aproveitamento e caso este n o seja poss vel a queima do biog s em particular porque o metano um g s que tamb m 15 contribui para o efeito estufa com um impacto 20 vezes superior ao g s car b nico Desta forma o biog s gerado nos aterros sanit rios deve ser drenado e queimado para minimiza o dos efeitos causados pelo seu lan amento na atmosfera 28 As fontes renov veis de energia solar e lica geot rmica biomassa dos oceanos e pequenas centrais hidroel tricas PCH caracterizam se por im pactos ambientais muito menores que o uso dos combust veis f sseis 1 2 2 Custos de Manuten o e Produ o de Eletricidade A eleva o crescente dos pre os do petr leo torna se cara a utiliza o de combust veis l quidos de natureza f ssil nas regi es rurais para produ o de eletricidade A utiliza o de energia el trica no meio rural tamb m enfrenta problemas especificamente em pa ses como o Brasil onde as dist ncias s o muito grandes fazendo com que os pre os dos materiais elevem sobremaneira o investimento das redes de eletrifica o Segundo 29 os altos custos das redes de distribui o rural s o um dos principais motivos para os baixos ndices d
36. esta forma de produ o de energia semelhan a da microgera o constitua um significativo contributo para o cumprimento das metas estabelecidas na ENE 2020 Entre as diversas medidas que comp em a resolu o deve destacar se o lan amento de programas espec ficos de miniprodu o para permitir que determinadas entidades como as escolas os mercados abastecedores o setor p blico estatal as autarquias as institui es particulares de solidariedade social possam produzir energia de forma descentralizada e que esta forma de produ o de energia atinja progressivamente uma quota de produ o de 500 MW at 2020 20 e Jap o Pa s pioneiro e dos mais voltados promo o de efici ncia energ tica tamb m apresentava em 2009 12 9 GW provenientes de fontes renov veis com destaque para Biomassa 3 1 GW e Solar FV 1 7 GW 17 e Cor ia do Sul At 2009 n o apresentava grande destaque na utiliza o de energia des centralizada com fontes renov veis em sua matriz energ tica mas foi um dos pa ses a dedicar maior parcela de seu pacote de recupera o crise econ mica para investimentos verdes Possui metas para energia e lica 2 25 GW e solar 1 3 GW at 2011 17 1 1 2 2 Panorama no Brasil O setor el trico do Brasil conta com grandes usinas hidrel tricas respons veis pela gera o da eletricidade consumida pelas regi es mais desenvolvidas 11 do pa s Por m para atender a dema
37. mais precisa a medida maior a pondera o 86 O m todo dos m nimos quadrados usado geralmente para o c lculo de regress es lineares em conjuntos de dados estat sticos O MMQ um processo de busca dos coeficientes que minimizam a soma dos quadrados dos res duos Para tanto uma das condi es que a forma escolhida para a equa o seja adequada O MMQ minimiza a soma dos quadrados dos res duos Quando a distribui o dos res duos normal as estimativas de m xima probabilidade podem ser encontradas pelo M todo dos M nimos Quadrados Neste caso sob as condi es b sicas as estimativas do MMQ para os coeficientes da equa o s o as estimativas lineares n o tendenciosas de m nima vari ncia A aproxima o por m nimos quadrados consiste em encontrar a fun o que melhor se ajuste ao conjunto de pontos dado e ou coletados mini mizando o erro resultante do ajustamento ou seja pretende se minimizar a soma dos quadrados das diferen as entre os valores observados e os valores obtidos pela aproxima o 25 O estimador de minimos quadrados pode ser dado pela Equa o 3 20 6 do oY 3 20 Onde e 0 Estimador de M nimos Quadrados e 47 Dimens o e Y Fun o linear das medidas O estimador dos m nimos quadrados uma transforma o linear sobre Y e assim denominado estimador linear 87 3 8 3 Estimadores de M nimos Quadrados Recursivo Na implementa o de um controle
38. o encontrados em diversos tipos de aplica es principalmente nas ind strias Constituem a estrat gia de controle mais utilizada na ind stria ao longo de muitos anos sendo na maioria dessas su ficientes apenas para garantir um bom desempenho do processo controlado Contudo este bom desempenho s ocorre quando o controlador ajustado de forma adequada sendo esta a maior dificuldade de sua utiliza o Os m todos de sintonia de controladores PID s utilizam uma fun o de trans fer ncia como modelo da planta sendo a mais utilizada a fun o de primeira ordem com atraso 73 71 e 74 Assim para a obten o do controlador existem duas etapas identifica o da planta por uma fun o de transfer ncia e sintonia dos par metros do controlador 53 Sua popularidade se deve ao fato de ser simples de ajustar e ter no mer cado uma grande variedade de ferramentas que possibilitam a implementa o de maneira facil e pr tica Um exemplo que todo CLP por mais simples que seja possui o algoritmo PID pronto para ser usado Existe at aqueles que possuem ferramentas de auto ajuste reduzindo ainda mais necessidade de ter uma pessoa qualificada para ajust lo Ap s 60 anos da publica o das primeiras regras sistem ticas de sintonia de par metros do controlador PID Nichols e Ziegler e com a publica o de milhares de artigos de sintonia de controlador PID seria de se esperar que a pr tica no projeto de ma
39. para a irriga o de 1 um hectare 47 Segundo 48 os biodigestores rurais s o importantes para o saneamento rural pois o processo de digest o anaer bia promove a redu o da carga org nica convertendo o carbono presente na mat ria org nica em CH que utilizado como combust vel redu o dos s lidos e tamb m a redu o de 27 microrganismos patog nicos presentes nos efluentes Al m de estimularem a reciclagem da mat ria org nica e de nutrientes possibilitam a higieniza o das instala es para cria o de animais promovendo o tratamento de seus dejetos proporcionando diminui o de moscas e odores Conforme 49 mostrado na Figura 2 1 o ciclo do processo de obten o do biog s e biofertilizante com a utiliza o dos biodigestores O processo iniciado com a sele o da biomassa e adicionado com gua Ap s ser misturado colocada no biodigestor para iniciar o processo de fermenta o Atrav s da utiliza o dessas fontes obtem se os alimentos que s o trans formados ap s o beneficiamento em res duos e reutilizados como biomassa Biomassa Prepara o ir Pr Digest o Ir E Biodigestor p dois a Biofertilizante r Tratores Moradias Agricultura Motobombas Aquecimento Geradores Ilumina o Estufas Eletrodom sticos Res duos Excremento Urina gua Lavagem Transforma o Figura 2 1 Ciclo da biomassa e biodigestor 49
40. que prov veis dist rbios interfiram no processo pode se fazer medi es de perturba o e usar essas informa es e nosso conhecimento do modelo de processo para fazer bons ajustes na va ri vel manipulada antes que a perturba o interfira na vari vel de controle No controle feedforward observado na Figura 3 2 a perturba o ou dist r bio detectado ao entrar no processo e uma mudan a apropriada feita na vari vel manipulada de tal forma que a vari vel controlada mantida constante Deste modo podem se tomar as medidas corretivas Devido essa caracter stica esse controle tamb m conhecido como controle antecipat rio ou regula o preditiva A imprecis o do modelo um aspecto de seguran a importante que dificilmente permite a implementa o de estrat gia feedfor ward puras Em geral o valor calculado pelo controlador feedforward enviado a um controlador feedback aumentando a robustez do sistema 3 1 1 3 Controladores Feedback ON OFF Conforme apresentado na Figura 3 3 o controlador Feedback ON OFF modelado por um rel Neste tipo de controlador o elemento atuante pos Dist rbio Elemento de Medi o Sa da Processo Vari vel Controlada Vari vel Manipulada Controlador Figura 3 2 Controle feedforward em um processo adaptado de 66 r t Figura 3 3 Controle de feedback ON OFF 66 sui apenas duas posi es fixas ligado ON ou desligad
41. ras entretanto deve se reconhecer que aos fluxos de energia de biomassa s o associados os biocombust veis os quais por sua vez podem ser apresenta dos em tr s grupos principais de acordo com a origem da mat ria que os constitui Dessa forma existem os combust veis de planta o n o florestal agrocombust veis biocombust veis da madeira dendrocombust veis e os res duos urbanos 43 25 Segundo 43 a energia acumulada na biomassa est na forma de energia qu mica sendo necess rias rea es qu micas para a sua libera o podendo ent o ser usada para realiza o de trabalho til que pode ser a produ o de calor Em muitas situa es espec ficas o emprego da biomassa requer uma convers o para uma melhor adequa o do seu uso ou transporte devido principalmente a natureza s lida da biomassa Pode se citar como exemplo a utiliza o da energia da biomassa em mo tores de combust o interna pois a mat ria prima deve sofrer processos de convers o que a transformam em combust vel gasoso ou l quido para serem usados nos motores 2 1 2 Biodigestor Segundo 44 a origem do biodigestor bastante antiga os povos essen cialmente agr colas como no caso os hindus j utilizavam esse m todo de decomposi o mas foram os chineses que trouxeram esta tecnologia rudi mentar at os dias de hoje Em 1806 na Inglaterra Humphry Davy identificou um g s rico em car bono e di xido de carbono
42. resposta da vaz o e press o queda de press o No intervalo de 80 segundos ap s o fechamento da torneira da gasolina ocorre a redu o sistem tica da frequ ncia de rota o do motor Dessa forma o controlador PI inicia da abertura da v lvula proporcional para corrigir o dist rbio liberando g s para o sistema e consequentemente reduzindo a press o do sistema O comportamento da Figura 5 5 provocado pela troca de calor entre o g s armazenado no biodigestor e a tubula o do sistema de controle de vaz o localizado no interior do LEA Observa se que a temperatura m xima do g s proveniente do biodigestor encontra se adequada para a fermenta o do substrato 30 e 35 C Na medi o do consumo de biog s da planta experimental do LEA foi utilizado o sensor de vaz o SD5000 O sensor foi configurado para realizar a medi o de consumo por pulsos Na Figura 5 6 observado a curva de consumo de biog s m do conjunto motor gerador no intervalo de 21 6 a 22 8 m O consumo acumulativo por m poss vel zerar o registro do contador no sistema de monitoramento da planta de biog s para realizar novas medi es de consumo 23 N N N N N N E D co N N i Consumo m de biog s 22 16 ae a SS EE a a E E S QO 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Tempo seg Figura 5 6 Curva de consumo m do motor gerador Observa se que no gr fico da Figura 5 6 o conjunt
43. rios conhecidos no mercado e Fix Fabricante Intellution e Intouch Fabricante Wonderware Corporation e Wizcon Fabricante Emation e RSView Fabricante Rockwell Automation e Unisoft Fabricante Factory Link e Elipse Fabricante Elipse e G nesis Fabricante Iconics e Microcomputing Fabricante Siemens e Cimplicity Fabricante Ge fanuc Apesar de existirem diferentes fabricantes de softwares supervis rios os mesmos possuem caracter sticas semelhantes capazes de atender pr requisitos b sicos funcionais de um projeto Dentre as principais caracteris ticas podem se citar e Interface de dados amig vel ou seja apresentar visualiza o gr fica que facilite o entendimento do operador do sistema e Gera o autom tica de relat rios com o controle estat stico do sistema e Hist rico de tend ncias acompanhamento das vari veis controladas e Facilidade para intera o com outros aplicativos software e Acesso autom tico a banco de dados e Acesso compartilhado e remoto e Conex o em rede e por meio de modem ou r dio 81 e Gerenciamento das condi es de alarme Para se efetuar uma boa escolha de um software de supervis o necess rio avaliar o produto o sistema operacional a confiabilidade do fabricante e do distribuidor al m do suporte local e dos drivers de comunica o dispon veis Com a necessidade de distribuir a informa o para a rea corporativa da e
44. sseis responde pela maior parte da polui o ambiental Para 27 95 de todos os xidos de enxofre e de nitrog nio 23 assim como o di xido de carbono C 05 maior causador do efeito estufa de origem antropog nica s o produtos da combust o de combust veis f sseis No caso do mon xido de carbono CO e dos compostos org nicos vol teis a porcentagem aproximadamente 70 Por estas raz es o acr scimo no consumo de energia tem um impacto ambiental t o grande As fontes alternativas de energia despertam interesse no mundo todo devido ao fato de seu uso ser ambientalmente correto e no Brasil isso n o poderia ser diferente pois sua matriz energ tica composta de 43 9 com energia renov vel segundo dados do Minist rio de Minas e Energia de 2010 Grande parte dessa energia vem de hidroel tricas que precisam de rios per enes para viabilizar sua constru o A regi o semi rida brasileira no en tanto conta apenas com o rio S o Francisco com essa caracter stica Nesse caso a energia utilizada no abastecimento dessa regi o brasileira precisa ser transportada a grandes dist ncias atrav s de linhas de transmiss o gerando custos de implanta o e manuten o dessas redes Por outro lado outras fontes renov veis de energia como a solar e lica e biomassa est o presentes no semi rido logo um caminho a ser seguido para um desenvolvimento sus tent vel dessa regi o promover a pesquisa e a dissemina
45. tica possuem por tanto um manejo complicado O biodigestor de c pula fixa somente deve ser recomendado para locais onde a m o de obra de constru o seja supervisada por t cnicos com muita experi ncia em mat ria de biodigestores e algum conhecimento de hidrost tica Seus usu rios devem ser assessorados com re gularidade durante um longo per odo at que saibam realmente oper los Na Figura 2 3 pode ser visto um biodigestor modelo chin s 48 O interior desse biodigestor compreende a c mara de digest o cerca de 2 3 da altura e o dep sito de g s ou gas metro ter o superior Original mente esse modelo recebia uma nica carga para digest o que s era retirada com a exaust o da produ o de biog s para evitar esse inconveniente ao modelo foi adaptado um alimentador di rio de massa org nica e uma sa da para biofertilizante passando a produzir biog s continuamente O biodigestor do tipo chin s apresenta as seguintes vantagens e desvan tagens Vantagens e Este modelo tem um custo mais barato em rela o aos outros pois a c pula feita de alvenaria 32 Figura 2 3 Biodigestor modelo chin s 48 e O biodigestor chin s o que ocupa menos espa o na superf cie do solo pois completamente enterrado no solo tanto o digestor como o ga s metro e Sofre pouca varia o de temperatura Desvantagens O sistema de comunica o entre a caixa de carga e o digestor sendo
46. 1 Norma IEC 61131 3 3 7 4 Interfaces de Comunica o dos CLP 3 7 4 1 M dulos de Entradas e Sa das Digitais 3 7 4 2 M dulos de Entradas e Sa das Anal gicas dedo M dulo PID gt se c 10 0 debito Noo we i E RO ve as 3 7 4 4 M dulos de Interface de Rede 3 7 5 Protocolos de comunicag o 28 29 30 33 35 37 40 42 3 8 Softwares Supervis rios issu Uw we ek wwe tle ks as be 79 3 8 1 Supervis rios SCADA 82 3 8 2 Estimadores de M nimos Quadrados 83 3 8 3 Estimadores de M nimos Quadrados Recursivo 84 4 Planta de Produ o de Biog s e Eletricidade 87 4 1 Planta de Biog s qa ss ao a RO a O RO Es 87 4 2 Conjunto Motor Gerador 2 0 90 4 3 Controlador L gico Programavel 2 91 AA PLA Ae ca ears Gs Apr do hs Be DD DS ale TI al 91 4 5 Sensores oe a 2b ced ek Ba be Be ee Bek ee Ged 93 4 5 1 Sensor de Temperatura 93 4 5 2 Sensores de Pressfo 2 2 0 94 4 5 3 Sensores de Vaz4o 2 2 95 4 6 Biodigestores sto Gg ae cits ee oH dic E a Soda E Sh A 96 4 6 1 Etapas de Instala o do Biodigestor 96 4 6 2 Carga do Biodigestor 024 101 4 7 Controle e Monitoramento da Planta de Biog s 104 4 8 Din mica do Sistema de Controle 109 5 Ensaios e Resultados 111 Sal Ensaios gr pi oe et ears C
47. 130323934 74 GOODWIN G C GRAEBE E SALGADO M E Control System Design 1 ed S 1 Prentice Hall 2000 908 p ISBN 0139586539 138 75 ENDER D B Process control performance Not as good as you think control engineering Industrial Computing ISA journals p 40 51 Aug 1993 76 MATIAS J Teoria de controle PID Revista Mecatr nica Atual S o Paulo v 3 2002 77 CASSIOLATO C ALVES E Medi o de vaz o Controle e Instrumenta o S o Paulo v 11 n 138 p 70 78 Nov 2008 78 CHAU P Chemical Process Control A First Course with MATLAB San Diego University Of California 2001 307 p ISBN 521 80760 3 79 POLLARD A et al Flow control fundamentals and practices 1 ed Berlin Springer 1998 527 p ISBN 3540639365 80 DELMEE G Manual de Medi o de Vaz o 3 ed Sao Paulo Edgard Blucher 2003 366 p 81 SCHNEIDER P Medi o de Velocidade e Vaz o de Fluidos GESTE Grupo de Estudos T rmicos e Energ ticos Escola de Engenharia UFRS Porto Alegre 2000 82 NATALE F Automa o Industrial 10 ed Revisada e Atualizada S o Paulo rica 2000 256 p ISBN 8571947074 83 HEINZ J K TIEGELKAMP M IEC 61131 3 programming industrial systems concepts and programming languages requirements for programming systems decision making aids 2 ed London Springer 2010 348 p ISBN 978 3 642 12014 5 84 ROSARIO J Princ pios de Mecatr nica 1 ed S o Paulo Pr
48. 485 definem caracter sticas mec nicas el tricas fun cionais e procedurais para ativar manter e desativar conex es f sicas que se destinam a transmitir bits entre dois dispositivos Segundo 82 os principais caracteristicas citadas pela EIA para estabelecer a comunica o s o e Caracter sticas mec nicas definem o tamanho e a forma dos conec tores pinos cabos que comp em um circuito de transmiss o e Caracter sticas el tricas especificam os valores dos sinais el tricos n veis de tens o e corrente usados para representar bits o tempo entre 79 mudan as desses valores Determinam tamb m as taxas de transmiss o e dist ncias que podem ser atingidas e Caracter sticas procedurais especificam combina es e seqii ncias de sinais que devem ocorrer para que uma interface do n vel f sico cumpra o seu papel de receber e transmitir bits O meio f sico RS232 nada mais que um conjunto de normas que definem comunica o serial ponto a ponto entre dois dispositivos A norma RS232 define os n veis de tens o a temporiza o o protocolo de troca de dados e a disposi o mec nica dos conectores A interface RS232 tem como principal atrativo a sua implementa o simples e barata sendo dispon vel como padr o na maioria dos computadores atuais e antigos As principais limita es da interface RS232 se devem ao fato da mesma operar por n veis de tens o sendo extremamente suscet vel a ru d
49. Cana de A car UNICA foram mo das 64 milh es de toneladas de cana de a car na safra 2008 2009 correspondente a 11 do total do Pa s e apresen tou sua maior produ o ao longo do per odo analisado na safra de 2007 2008 com 64 6 milh es de toneladas e a menor produ o foi observada na safra de 1993 94 com 34 1 milh es de toneladas O potencial te rico total da regi o 17 est estimado em 120 3 MW 34 Em 2009 a colheita de baba u na regi o Nordeste que ocorre nos estados do Maranh o Piau e Bahia foram de 102 777 ton 5 250 ton e 335 ton respectivamente apresentando a maior produ o em 1987 com 161 600 ton de am ndoas equivalentes a 81 da produ o nacional no total o Brasil apresentou uma produ o de 197 396 ton 35 A regi o Nordeste a grande produtora de castanha de caju em casca O maior produtor o Cear onde de acordo com o sindicato das ind strias de beneficiamento de castanha de caju SINDICAJU registrou na safra de 2009 2010 a produ o de 104 421 mil toneladas de castanha de caju seguido pelo estado do Rio Grande do Norte com 48 918 ton e Piau com 42 963 ton O potencial da casca de castanha de caju estimado em 12 76 MW com nfase para o Norte Cearense 3 08 MW 36 Os mais importantes res duos gerados pela atividade biol gica s o os do gado bovino su no caprino e ovino que s o cria es relevantes e justificariam seu aproveitamento energ tico A cria
50. D Paralelo adaptado de 78 C s Ker Is Tp 3 7 57 3 5 Sintonia Para Controladores PID A tarefa de sintonia de controladores Proporcional Integral e Derivativo na maioria dos casos realizada de forma emp rica pelos operadores e t cnicos respons veis pelo processo sob controle A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o impacto destas varia es junto vari vel de sa da do processo Diversos autores porop em m todos para sintonia de controladores PID s entre esses m todos destacam se segundo 40 Ziegler e Nichols em 1942 CHR Chien Hrones e Reswick em 1952 CC Cohen e Coon em 1953 Integral do Erro Lopez et al em 1967 Rel s Astrom e Hagglung em 1984 e MMC Modelo Interno em 1986 Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de par metros iniciais Kp K e Ka de controladores tipo PID Segundo 64 Ziegler e Nichols propuseram regras para determina o de valores do ganho proporcional K do tempo integral 7 e do tempo derivativo T4 baseadas na caracter stica da resposta temporal de uma planta Existem dois m todos denominados regras de Ziegler e Nichols o primeiro em malha aberta e o segundo em malha fechada No primeiro m todo obtem se experimentalmente a resposta da planta a uma entrada em degrau unit rio confo
51. DF Universidade de S o Paulo e Escola Superior Agr cola Luiz Queiroz 1995 416 p ISBN 85 314 0129 1 57 TIJMENSEN M BROEK R Clean power from farm wast international experiences with anaerobic digestion of farm manure Renewable Energy Word v 7 n 2 p 124 131 August 2004 58 TRICASE C LOMBARDI M State of the art and prospects of italian biogas production from animal sewage Technical economic considerations Renewable Energy Word v 34 n 3 p 477 485 Mai 2008 59 DEUBLEIN D STEINHAUSER A Biogas from Waste and Renewable Resources An Introduction Heidelberg WILEY VCH Verlag GmbH KGaA WMX Design 2008 245 p ISBN 978 3 527 31841 4 60 FREITAS E Biogds Brasil Escola Disponivel em lt http www brasilescola com geografia biogas htm gt Acesso em Fev 2010 61 MME Balan o Energ tico Nacional Resultados Preliminares Ano base 2009 Minist rio de Minas e Energia e Empresa de Pesquisa Energ tica Bras lia DF Mar 2010 62 MME Plano Nacional de Energia 2030 Dispon vel em lt lt http www epe gov br PNE Acesso em out 2010 gt 63 ANEEL Resolu o Normativa N 390 de 15 de Dezembro De 2009 Outorga de autoriza o para explora o de usinas termel tricas e outras fontes alternativas de energia e registro de centrais geradoras com capacidade instalada reduzida Ag ncia Nacional de Energia El trica Dezembro 2009 64 OGATA K Engenharia de Controle Moderno 4 ed Min
52. Equa o 3 21 os par metros de ganho do estimador e covari ncia podem ser calculados atrav s das Equa es 3 22 e 3 23 respectivamente 87 6 1 0 0 K lyt D e t 1 0 3 21 Onde e 9 t 1 Estimador de Minimos Quadrados Recursivos e T Vetor de Medidas e O t Vetor de Par metros P t p t 1 K t 1 14 y t 1 P t y t 1 3 22 Onde 86 e K t 1 Ganho do Estimador P t 1 P t P t p t Do t 1 P t 1 y t 1 P t yp t 1 Onde e P t 1 Matriz de Covari ncia 3 23 Cap tulo 4 Planta de Produ o de Biog s e Eletricidade No presente cap tulo s o apresentados os equipamentos utilizados as eta pas de instala o do biodigestor desenvolvimento das telas do sistema de supervis o e automa o realizados na planta de produ o de biog s do La borat rio de Energias Alternativas LEA da Universidade Federal do Cear UFC 4 1 Planta de Biog s A integra o dos centros de Tecnologia e de Ci ncias Agr rias parte de duas premissas energia e agricultura sustent vel Para o Centro de Tecno logia o esterco gerado pelos animais apresenta se como uma solu o sendo a mat ria prima para a gera o de energia atrav s do biog s Por m ap s a utliliza o desses dejetos no biodigestor tem se o biofertilizante que uma solu o para a rea de agron mia onde utilizado como adubo org nico nas planta es A Figura 4
53. S A C et al BNDES 50 anos hist rias setoriais o setor el trico Rio de Janeiro BNDES 2002 8 BAIHIENSE D A Reestrutura o e descentraliza o do setor el trico brasileiro o novo modelo institucional Salvador Superintend ncia de Estudos Econ micos e Sociais da Bahia 2005 130 131 9 MME Programa Luz para Todos Minist rio de Minas e Energia Dispon vel em lt http www luzparatodos mme gov br gt Acesso em Fev 2011 10 REIS R Os benef cios da privatiza o evid ncia no setor el trico brasileiro Revista de Contabilidade e Organiza es v 1 p 56 70 Mar 2007 11 ELETROBR4S Relat rio Participa o das empresas de gera o na capacidade instalada Minist rio de Minas e Energia Dispon vel em lt http www eletrobras gov br gt Acesso em Nov 2010 12 SINERGIA Crise energ tica no Brasil Caderno do Sindicato dos Energ ticos de S o Paulo S o Paulo Novembro 2001 13 MME Empresa de Pesquisa Energ tica Plano Decenal de Expans o de Energia 2019 Minist rio de Minas e Energia Brasilia 2010 14 ANEEL Relat rio ANEEL 2009 Ag ncia Nacional de Energia El trica 3 ed Bras lia DF 2010 90 p 15 ANEEL Balan o Energ tico Nacional Atlas de Energia El trica do Brasil 3 ed Bras lia DF 2008 ISBN 978 85 87491 10 7 16 CHESF Sistema de Gera o Companhia hidro El trica do S o Francisco Dispon vel em lt http www chesf gov br gt Acesso em Mar
54. T SETAS QU ght Ta o A 111 5 1 1 Analise do Biog s do LEA 2 111 5 1 2 Din mica das Vari veis do Processo 111 5 1 3 Din mica de Partida do Conjunto Motor Gerador 115 5 1 4 Controlador Centr fugo com Gasolina 115 5 1 5 Controlador Centr fugo com Biog s 117 5 1 6 Controlador Centr fugo e PI com Biog s 119 5 1 6 1 Defini o dos par metros PI 2 119 5 1 7 Controlador PI com Biog s 123 6 Conclus es 125 6 1 Trabalhos Futuros o 00a ee oe Sf a 127 Ap ndice 129 A Projetos e Artigos Publicados 129 Refer ncias Bibliogr ficas 130 Lista de Tabelas 11 21 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 Unidades Geradoras do Nordeste 16 o oo oaa aaa 6 Propor o de gua na mat ria seca para biodigestores 56 35 Estimativa de Quantidade x Fontes 55 2 2 02 36 Equival ncia do biog s 0 60 de CH4 48 aaa 38 Sintonia de Ziegler e Nichols para degrau unit rio 64 58 Sintonia de Ziegler e Nichols baseada em Ker e Poer 64 60 Exemplo de Espa os de Mem ria dos CLP s 84 66 Especifica o da comunica o serial RS232 83 76 Especifica o da comunica o serial RS422 83 76 Especifica o da comunica o serial RS485 83 TT Principais caracter sticas entre os n veis de rede 83
55. Universidade Federal do Cear Centro de Tecnologia Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica Andr Pimentel Moreira Controle de Vaz o de Biog s com Baixa Press o para Produ o Descentralizada de Eletricidade Fortaleza Outubro de 2011 Andr Pimentel Moreira Controle de Vaz o de Biog s com Baixa Press o para Produ o Descentralizada de Eletricidade Disserta o submetida Universidade Fe deral do Cear como parte dos requisitos para a obten o do grau de mestre em Engenharia El trica Orientador Prof Paulo Cesar M de Carvalho Dr Fortaleza Outubro de 2011 il Controle de Vaz o de Biog s com Baixa Press o para Produ o Descentralizada de Eletricidade Esta Disserta o foi julgada adequada para a obten o do t tulo de mestre em Engenharia El trica rea de Concentra o em Energias Renov veis e Sistemas El tricos e aprovada em sua forma final pelo Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Universidade Federal do Cear Prof Paulo Cesar Marques de Carvalho Dr Orientador Fernando Luiz Marcelo Antunes PhD Coordenador do Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica Banca Examinadora Paulo Cesar Marques de Carvalho Dr Presidente Alberto Willian Mascarenhas Dr Ricardo Silva Th Pontes Dr S rgio Daher Dr iii Dedicat ria Dedico este trabalho a toda minha fam lia em especial aos meus pais Jos Almir
56. a o e outra PNP positivo para a entrada que permite um fluxo de corrente do potencial positivo da fonte de alimenta o para a entrada Nas Figuras 3 12 e 3 13 s o mostradas as confi gura es de entradas em corrente cont nua NPN e PNP respectivamente 70 SENSOR TIPO NPN ENTRADA DO C SENSOR TIPO PNP POSITIVO CIRCUITO DE SAIDA DO SENSOR CIRCUITO DE SAIDA DO SENSOR ENTRADA DO CLP Figura 3 12 Configura o de En Figura 3 13 Configura o de En trada NPN 83 trada PNP 83 Os M dulos ou Interfaces de Sa da adequam eletricamente os sinais vindos do microprocessador para que possam atuar nos circuitos controlados As sa das digitais admitem apenas dois estados ligado e desligado e podem ser constru das de tr s formas b sicas Sa da digital rel sa da digital transistor e sa da digital triac De acordo com o tipo de elemento de comando da corrente das sa das estas apresentam caracter sticas que as diferem como as seguintes e Trans stor promove comuta es mais velozes mas s comporta cargas de tens o cont nua e Triac tem maior vida til que o tipo a contato seco mas s pode acionar cargas de tens o alternada e Contato seco rel pode acionar cargas alimentadas por tens o tanto cont nua quanto alternada 3 7 4 2 M dulos de Entradas e Sa das Anal gicas A interface de entrada anal gica cont m os circuitos necess
57. a e elimin lo Infelizmente na pr tica n o bem assim que as coisas funcio nam As v lvulas de controle possuem limites e saturam imposs vel abrir uma v lvula mais que 100 Inclusive h casos onde a pr pria din mica do processo faz com que varia es muito bruscas ocorram seja por altera o de carga ou mesmo por modifica o no valor do setpoint Em algumas vezes tal dist rbio acontece em tamanha magnitude ou dura tanto que um nico controlador convencional n o capaz de controlar o sistema Uma a o em feedback possui as seguintes etapas 48 e Medir o valor da sa da vaz o press o n vel de l quido temperatura composi o usando o instrumento de medida conveniente e Comparar o valor controlado PV com o valor desejado SP set point da sa da Assim definimos e SP PV e O valor do desvio fornecido ao controlador O controlador por sua vez muda o valor da vari vel manipulada MV de modo a reduzir a magnitude do desvio e 3 1 1 2 Malha de Controle Feedforward Para 67 o tempo morto pode ser definido como o tempo que transcorre entre o instante que introduzida uma mudan a na vari vel de entrada e o instante em que a sa da do mesmo come a a mudar Quando a raz o entre o tempo morto e a constante de tempo do processo for grande o controle com realimenta o n o capaz de evitar grandes desvios do set point em fun o das perturba es 40 Para evitar
58. a o suficiente para atender 25 mil habitantes 37 1 2 4 Considera es No Brasil a elevada popula o e sua concentra o em grandes centros urbanos e a expressiva produ o agropecu ria e agroindustrial indicam um potencial significativo de produ o de biog s no interior do Pa s atrav s dos materiais org nicos e excrementos animais O alcance de um programa de substitui o de fontes de energia por biog s pode ser avaliado tomando se a produ o dos 7 2 milh es de biodigestores instalados na China at dezembro 1979 que tem um valor energ tico equivalente a cinco Itaipus ou 48 milh es de toneladas de carv o mineral 38 O Brasil disp e de condi es clim ticas favor veis para explorar a energia derivada dos dejetos animais e restos de cultura e dispensar o g s de buj o e o combust vel l quido querosene gasolina leo diesel para o homem urbano ou rural aliviando com isso o pa s de uma significativa parcela de impor ta o de derivados do petr leo Os resultados apresentados numa pesquisa revelam um potencial de produ o de biog s superior a 50 milh es de m CH por dia 39 Como foi citado anteriormente o Governo Federal est implantando o projeto de expans o de oferta de energia el trica que ser finalizado em 2019 Por m caso o pa s consiga nos pr ximos anos atingir um n vel de crescimento econ mico acima da m dia recente provavelmente a oferta de energia el trica ser prati
59. a Interligado Nacional SIN e com isso sua energia vai contribuir para expans o da oferta em todo o Pa s 14 A expans o segundo 14 ocorre tamb m em outras regi es com a im planta o das hidrel tricas de Colider MT Dardanelos MT Mau PR Garibaldi SC Passo S o Jo o RS S o Jos RS S o Domingos MS e Simpl cio RJ MG no per odo de 2011 a 2019 Na Bacia do S o Francisco destaca se a sub bacia 49 rios S o Francisco Moxot e outros onde est o localizadas as usinas hidrel tricas de Xing e Paulo Afonso IV que somam juntas 5 624 MW de pot ncia instalada 16 Na Tabela 1 1 mostrado as unidades geradoras de energia el trica do Nordeste que se destacam Tabela 1 1 Unidades Geradoras do Nordeste 16 Unidade Geradora Pot ncia Instalada Local Apol nio Sales Moxot 400 000 kW Delmiro Gouveia AL Paulo Afonso I 180 001 kW Paulo Afonso BA Paulo AfonsolI 443 000 kW Paulo Afonso BA Paulo Afonso HI 794 200 kW Paulo Afonso BA Paulo Afonso IV 2 462 400 kW Paulo Afonso BA Piloto 2 000 kW Paulo Afonso BA Pedra 160 000 kW Jequi BA Sobradinho 1 050 300 kW Sobradinho BA Xing 3 162 000 kW Divisa AL SE Araras 4 000 kW Varjota CE Boa Esperan a 237 300 kW Guadalupe PI Cama ari 346 803 kW Dias D Avila BA Coremas 3 520 kW Coremas PB Funil 30 000 kW Ubaitaba BA Luiz Gonzaga 1 479 600 kW Luiz Gonzaga PE O Sis
60. a a um desvio que ainda n o aconteceu conhecida tamb m de su percorre o 76 Como esta a o de controle depende somente da raz o da varia o do desvio e n o da amplitude deste n o deve ser utilizada sozinha pois tende a produzir movimentos r pidos no elemento final de controle tor nando o sistema inst vel No entanto para processos com grandes constantes de tempo pode vir associada a o proporcional e principalmente s a es proporcional e integral Esta a o n o deve ser utilizada em processos com resposta r pida e n o pode ser utilizada em qualquer processo que apresente ru dos no sinal de medi o tal como vaz o pois neste caso a a o derivativa no controle provoca r pidas mudan as na medi o devido a estes ru dos Isto causa grandes e r pidas varia es na sa da do controlador o qual mantem a v lvula em constante movimento danificando a e levando o processo insta 59 bilidade A fun o de transfer ncia no dom nio do tempo de um controlador proporcional derivativo pode ser descrita conforme a Equa o 3 3 C s Ke Tds 3 3 O controlador PID o algoritmo de controle que soma tr s tipos de a es de controle A a o proporcional integral e derivada no dom nio do tempo pode ser visto na a Equa o 3 4 Devido sua relativa simplicidade al m de um desempenho satisfat rio que capaz de proporcionar uma ampla gama de processos tornou se na pr tica o control
61. a localiza o de um biodi gestor e Condi es locais do solo e Facilidade na obten o preparo e armazenamento da biomassa e Facilidade na remo o e utiliza o do biofertilizante e Dist ncia de utiliza o do biog s Segundo a Recolast Ambiental os lados e o fundo da trincheira devem estar lisos sem pedras sucatas ou raizes das rvores pois as ra zes podem 98 danificar a membrana pl stica As Figuras 4 11 e 4 12 mostram as sucatas encontradas e a trincheira escavada ao lado do LEA Figura 4 11 Sucatas encontra Figura 4 12 Trincheira para das na escava o instala o do biodigestor Devido ao grande n mero de entulhos e sucatas encontradas na escava o da trincheira algumas medidas da escava o ultrapassaram os valores reco mendados pelo fabricante Para corrigir as irregularidades foram utilizadas placas pr moldadas de cimento com 50 x 50 em Figura 4 13 para modelar a trincheira Em seguida foi instalada a manta geotextil conforme a Figura 4 14 que possui as fun es de drenagem de gua de chuva filtragem de pequenos vazamentos que possam ocorrer prote o e refor o das bordas da trincheira Ap s essas etapas escava o modelagem da trincheira instala o da manta geotextil foi realizado o teste do biodigestor Para verificar poss veis vazamentos o biodigestor foi inflado com ar comprimido como visto na Figura 4 15 De acordo com a Recolast Ambiental a
62. a o funcionamento do gerador No cap tulo 5 s o descritos os resultados de simula es e experimentos realizados Finalmente no cap tulo 6 s o apresentados as conclus es contribui es e propostas para trabalhos futuros Cap tulo 2 Biodigestores Neste cap tulo s o apresentados aspectos e conceitos b sicos sobre bio massa biog s e os tipos de biodigestores Ser o apresentados tamb m as principais aplica es vantagens e desvantagens dos modelos mais utilizados na produ o de biog s 2 1 Contextualizacao O meio ambiente e seus recursos naturais limitados s o uma preocupa o crescente n o apenas no Brasil mas em todo o Mundo Hoje ouve se falar quase que diariamente sobre o aquecimento global a import ncia da redu o de emiss es CO associados com as altera es clim ticas chuva cida e suas consequencias O problema de maior import ncia causado pelo uso da energia o efeito estufa que pode ser definido como o aumento da temperatura m dia da Terra em consequ ncia do aumento da concentra o atmosf rica de alguns gases tais como o g s carb nico CO2 os clorofluorcarbonos CFC o metano CH o xido nitroso N20 e outros Estes gases s o conhecidos como gases do efeito estufa S o gases que capturam parte da radia o infravermelha que a Terra devolve para o espa o provocando o aumento da temperatura atmosf rica com decorrentes mudan as clim ticas O consumo de combust veis f
63. acima da temperatura do fluido a ser medido Quando este fluido escoa pela tubula o onde o sensor calorim trico est instalado o calor gerado nesse sensor atrav s do seu cir cuito interno disperso atrav s da velocidade do fluido Assim quanto maior for essa dispers o t rmica entende se que maior a vaz o visto que o sen sor aquecido tende a reduzir sua temperatura conforme o aumento da vaz o Um segundo sensor de temperatura n o aquecido utilizado para medir a temperatura do fluido possibilitando assim uma refer ncia de compara o e compensa o ao circuito de medi o do conjunto medidor O sensor SD 5000 Figura 4 8 foi utilizado por n o possuir partes m veis por isso n o est sujeito a falhas devidas corros o de eixos rolamentos e desgastes mec nicos em geral Figura 4 8 Sensor de vaz o SD 5000 96 Na Tabela 4 5 s o descritas as caracteristicas do sensor de vaz o SD5000 Tabela 4 5 Caracter sticas do sensor de vaz o SD5000 Tens o de opera o 19 30 VDC Sa da contato NO NC impulso ou 4 20 mA escal vel Range 0 06 a 15 00 Nm h 0 83 0 8 a 250 0 NI min Resist ncia press o 16 bar Tipo de prote o classe de prote o IP 65 II 4 6 Biodigestor 4 6 1 Etapas de Instala o do Biodigestor O biodigestor utilizado na presente pesquisa o modelo 4500 que foi doado UFC pela Recolast Ambiental empresa de engenharia de impermea
64. ade em 2030 as fontes prim rias excetuando se a cana de a car ter o um crescimento de 4 na matriz energ tica entre 2005 2030 o Brasil conseguir manter um grau relativamente baixo de depend ncia ex terna de energia custos competitivos de produ o de energia e n veis de emiss es de gases um dos mais baixos do mundo praticamente inalterados 62 As crises dos derivados de petr leo fornecimento e pre o e da energia hidroel trica constru o e pre o do kW vem ensejando estudos para o apro veitamento de res duos at h pouco tempo considerados inaproveit veis ou mesmos poluentes para gera o de energia atrav s de biodigestores O uso de biodigestores no meio rural nordestino pode contribuir para combater o pro cesso de desertifica o assegurando um desenvolvimento sustent vel para o semi rido O biog s produzido pode ser usado em substitui o lenha para coc o de alimentos em fornos eficientes Adicionalmente o biog s pode ser usado como combust vel na gera o de energia el trica elevando os ndices de eletrifica o da regi o Em 2008 uma parceria entre a Itaipu Binacional Companhia Paranaense de Energia Copel e produtores rurais de S o Miguel do Igua u no Paran permitiu a produ o de energia el trica a partir de dejetos su nos A eletri cidade gerada usada pelas propriedades e o excedente vendido Copel Cada su no produz 10 litros de dejetos por dia e cada mil lit
65. ador mais utilizado em ambientes industriais Uma pesquisa observou se que de mais de 11 000 malhas de controle analisadas em diversas plantas refinarias cerca de 97 eram controladas com o algoritmo PID 71 A fun o de transfer ncia de um controlador proporcional integral derivativo no dom nio de Laplace pode ser descrita conforme a Equa o 3 5 de t dt E T f ued Tt 3 4 CG ereta rde 3 5 3 4 1 Varia es do Controle PID As varia es mais comuns do algoritmo PID s o o ISA e paralelo 3 4 1 1 PID Ideal O modelo padr o chamado s vezes o algoritmo PID ISA ou algoritmo ideal como visto na Figura 3 5 As a es proporcionais integrais e deri vativas n o interagem no dom nio do tempo Este algoritmo admite zeros complexos o que til quando os sistemas de controle possuem p los osci lat rios A fun o de transfer ncia de um controlador proporcional integral derivativo no dom nio de Laplace pode ser descrita conforme a Equa o 3 6 56 Figura 3 5 Esquema do PID ISA adaptado de 78 C s Ke 1 Tp 3 6 s 3 4 1 2 PID Paralelo O PID paralelo Figura 3 6 dito paralelo pois as a es proporcionais integrais e derivativas sao calculadas em paralelo e depois somadas A fun cao de transfer ncia de um controlador proporcional integral derivativo no dominio de Laplace pode ser descrita conforme a Equa o 3 7 Figura 3 6 Esquema do PI
66. ais e restos de alimentos s o misturados com gua no alimentador do biodigestor a 3 O g s metano pode ser encanado para alimentar um gerador ou aquecedor 4 As sobras servem como fertilizantes 2 Dentro do biodigestor as a es das bact rias decomp em o lixo transformando o em g s metano e adubo Figura 2 5 Modelo simplificado de obten o de biog s 56 como tamb m para maior pureza do g s teor de metano A digest o amner bica DA o meio mais eficiente de gerar energia a partir de res duos com teores de mat ria seca inferior a 30 de prefer ncia no intervalo 5 12 5 tais como estrumes lodo de esgoto comida e outros res duos org nicos molhados A tecnologia b sica de DA envolve fermenta o anaer bica da mat ria prima res duos org nicos h midos para produzir o metano e o di xido de carbono com o metano que est sendo utilizado para aquecimento gera o de eletricidade ou como combust vel nos transportes A biodigest o anaer bica se processa sequencialmente em tr s fases O primeiro est gio acontece a desestrutura o do material org nico ainda cru pela a o de bact rias denominadas psidof licas que agem preferencialmente temperatura de 16 C H uma despolimeriza o de gorduras carboidratos celulose e proteinas com a transforma o do material org nico insol vel e complexo em material sol vel e produtos simples mon meros Na segunda fase denominada a
67. al e o valor de setpoint Em seguida usa essa diferen a de erro no c lculo algoritmo utilizado para iniciar a corre o do desvio atrav s da manipula o de uma vari vel de sa da do controle Primeiro o m dulo formula uma a o de controle proporcional com base em uma sa da vari vel de controle que proporcional ao valor de erro ins tant nea Em seguida o m dulo PID inicia uma a o de controle integral para fornecer ajuste adicional para a vari vel de controle de sa da Isto pro voca uma altera o na vari vel do processo em propor o ao valor do erro durante um per odo de tempo Finalmente o m dulo inicia uma a o de 12 controle derivativo adicionando ainda mais a compensa o para a sa da do controle Esta a o provoca uma mudan a na vari vel de controle de sa da proporcional taxa de varia o do erro Estas tr s etapas fornecem a a o de controle desejado Dependendo do m dulo utilizado as interfaces PID tamb m podem re ceber os dados sobre o tempo de atualiza o da zona morta e do erro O tempo de atualiza o a taxa ou per odo em que a vari vel de sa da atua lizada Al m disso alguns m dulos tamb m fornecem c lculos de raiz qua drada da vari vel de processo Para fornecer este c lculo o m dulo executa uma extra o da raiz quadrada da vari vel do processo para obter uma sa da linearizada que depois usado pelo algoritmo PID A Figura 3 14 mos tra o d
68. ao problema de corros o Para evit lo recomenda se fazer uma boa pintura com um antioxidante com por exemplo o zarc o O custo da camp nula que o modelo chin s n o tem e O sistema de comunica o entre a caixa de carga e o digestor sendo feito atrav s de tubos pode ocorrer entupimentos e Escava o em regi es semi ridas devido ao solo pedregoso 2 1 3 2 Modelo Chin s O modelo chin s apresenta baixo custo de constru o n o possui partes 31 m veis n o possui partes met licas que podem ser oxidadas e portanto s o mais dur veis Estes biodigestores s o constru dos enterrados e ocu pam pouco espa o fora do solo portanto mais protegidos contra as varia es clim ticas da superf cie principalmente em regi es que apresentam baixas temperaturas no inverno Em sua constru o geralmente ocupam m o de obra e materiais locais A c pula de armazenamento do g s do modelo chi n s muitas vezes apresenta vazamento devido porosidade dos materiais de constru o geralmente utilizados e ao aparecimento de fissuras Quando estes vazamentos ocorrem s o muito dif ceis de serem detectados e consertados pois estes vazamentos as vezes n o aparecem em testes de carga simples mas s quando o biodigestor est em funcionamento Muitas vezes s o sob condi es de varia o de press o que as fissuras se propagam e ocorrem os vazamentos Estes biodigestores n o apresentam descarga autom
69. ara armazenamento de dados e programas do usu rio Dispositivos de entrada e sa da para a comunica o com o exterior 3 7 2 Mem ria do CLP O mapa de mem ria de um CLP possui uma organiza o fixa ou seja existe aloca o reservada para entradas sa das e outras vari veis Depen dendo da necessidade existem varias configura es de tamanho dessas mem rias O sistema de mem ria uma parte de vital import ncia no processador de um CLP pois armazena todas as instru es assim como todos os dados necess rios para execut las H diferentes tipos de sistemas de mem ria A escolha de um determinado tipo de mem ria depende do tipo de informa o que se deseja armazenar e da forma como a informa o ser processada pela UCP As informa es armazenadas num sistema de mem ria s o chamadas palavras de mem ria e s o formadas sempre pelo mesmo n mero de bits A capacidade de mem ria de um CLP definida em fun o do n mero de palavras de mem ria previstas para o sistema e pode ser representada por um mapa chamado mapa de mem ria 82 A Tabela 3 3 mostra alguns tamanhos de mem ria dos CLP 66 Tabela 3 3 Exemplo de Espa os de Mem ria dos CLP s 84 Tamanho da Mem ria Tipo Bin rio Decimal 8 byte 2 255 16 word 216 65535 32 double word 232 4294967295 Mapa de mem ria de um controlador program vel pode ser dividido em cinco reas principais e Mem ria E
70. arreta uma maior instabilidade no sistema O mesmo observado durante a sa da da carga Constata se que o contro lador centr fugo com gasolina apresenta um melhor desempenho na estabili za o do sistema 2 5 s seguido do sistema com controlador simult neos 9 s e controlador centr fugo com biog s 10 s Embora o consumo do conjunto motor gerador funcionando com biog s adotado pelo fabricante em 2 m h nos resultados dos ensaios foi observado que o conjunto motor gerador consome 3 m3 h de biog s A diferen a do consumo ocasionada por vazamentos que ocorrem na admiss o do biog s junto aos filtros de ar O sistema de controle e supervis o implementado na planta de gera o de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas permitiu avaliar o com portamento da estabilidade do conjunto motor gerador sob varia o brusca da carga A introdu o de uma v lvula de controle proporcional no con trole de vaz o de biog s permitiu a integra o do controlar PI ao controlador centr fugo existente no conjunto motor gerador Embora estimados os par metros do controlador PID o controle deri vativo n o foi utilizado nos ensaios por restri es valores negativos do controlador l gico program vel a configura o PID testada em ambiente computacional apresentou se como sistema control vel e com tempo de 15 segundos para estabilidade ap s o degrau O ensaio utilizando os controladores simult neos s
71. atrav s do produto da carga di ria pelo per odo em dias de reten o da materia org nica para fermenta o conforme a Equa o 2 1 VB VOX TRH 2 1 Sendo e VB Volume do Biodigestor litros e VC Carga dia dejetos gua litros dia e TRH tempo de reten o hidr ulica dias O tempo de reten o necess rio para a degrada o da mat ria org nica varia de 20 a 50 dias O volume em m pode ser encontrado dividindo o volume do biodigestor por 1000 De acordo com as estimativas da Recolast Ambiental fabricante do biodi gestor a quantidade de fontes para realizar a carga da unidade de biodigest o modelo 4500 dada na Tabela 2 2 Tabela 2 2 Estimativa de Quantidade x Fontes 55 Modelo Fonte Quantidade Tubular 4500 Bovinos 7 Tubular 4500 Su nos 15 Tubular 4500 Frangos 750 Tubular 4500 Humanos 15 O esgoto comunit rio o vinhoto ou vinha as das usinas e destilarias sucro alcooleiras os aguap s dos grandes barramentos h dricos aterros de grande porte s o materiais altamente promissores tendo em vista os respectivos volumes dispon veis o custo da mat ria prima praticamente zero e a alta produtividade De acordo com 55 somente o rebanho su no brasileiro 38 milh es de cabe as capaz de produz por m s 7 2 bilh es de litros de dejetos l quidos Considerando os valores considerados na Tabela 2 1 e um 37 tempo de reten
72. camente igual a demanda j que a instala o de novas hidrel tricas demanda v rios anos para sua conclus o Desta forma para que o Brasil promova pol ticas p blicas baseadas na sustentabilidade importante diversificar sua matriz energ tica e ampliar o uso de outras fontes de energia renov vel abundantes no pa s como por exemplo o biog s 19 1 3 Metodologia A presente disserta o encontra se inserida em um contexto pouco ex plorado no Brasil Envolve diversos conceitos como aspectos t cnicos de engenharia agron mica qu mica el trica mec nica e automa o al m de aspectos econ micos e s cio ambientais da implanta o de uma planta de produ o de biog s atrav s de biodigestor em regi es remotas O presente estudo foi conduzido primeiramente mediante investiga o do estado da arte mundial sobre tecnologias de produ o de biog s biodi gestores e mat ria prima utilizada Em seguida foi realizada a instala o da planta de produ o de biog s com biodigestor tipo tubular com sistema automatizado e possibilidade de implementa o de outras formas de controle Posteriormente realizou se em campo uma valida o te rico experimental do controle Proporcional Integral PT do controlador l gico program vel CLP al m de comparar com o controle centr fugo existente no conjunto motor gerador sendo colocadas duas cargas diferentes no gerador de eletri cidade movido a biog s para v
73. cia sempre estiveram ao meu lado Aos amigos da P s Gradua o do Departamento de Engenharia El trica da Universidade Federal do Cear UFC Manuel Rangel Sigefredo Luis Carlos pelo companheirismo e colabora o nas revis es e sugest es de mel horia desse trabalho Moreira A P Controle de Vaz o de Biog s com Baixa Press o para Produ o Descentralizada de Eletricidade Universidade Federal do Cear UFC 2011 153p A presente disserta o prop e a implementa o de um sistema de aquisi o de dados controle e monitoramento de uma planta de gera o de energia el trica acionada por biog s Foi realizado o estudo experimental das estra t gias de modelagem identifica o e controle aplicado ao controle de vaz o da planta de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas LEA da Uni versidade Federal do Cear UFC Foi utilizado e testado para o controle de vaz o de biog s o controlador PI paralelo al m de realizar a compara o com o controle existente controle centr fugo do conjunto motor gerador Para verificar a resposta do gerador movido a biog s foi inserido uma carga correspondente a 60 da pot ncia nominal O sistema proposto reduziu a in terven o humana no ajuste de vaz o da v lvula de expans o Os resultados demonstraram que o tempo de resposta para estabilidade ap s a introdu o do contolador PI ao controlador original permitiu a redu o do tempo de resposta para
74. cidof lica ou simplesmente acid fila agem bact rias sa prof ticas que ao metabolizarem os mon meros da fase anterior produzem 40 ac dos org nicos como o propi nico ac tico l ctico f rmico alguns acetatos e a libera o de CO e gua Na fase seguinte gaseificante ou metano g nica os ac dos formados s o metabolizados por bact rias metanog nicas como sarcina methanica methanocus mazei methanobacteriuns sochnenni e methanobacter omilianskit A digest o ocorre em um recipiente fechado digestor aquecido onde bact rias fermentam a mat ria org nica Temperaturas baixas menos de 15 C bem como sua oscila o s o desfavor veis para o processo de digestivo chegando paralis lo O metanog nico pode se desenvolver satisfat riamente em duas faixas de temperatura a mes fila entre 25 C a 45 C e a term fila entre 55 C a 65 C No Norte e Nordeste do pa s a faixa term fila ocorre naturalmente que um fator favor vel para produ o de biog s e gera o de eletricidade atrav s da sua utiliza o Em paises com temperaturas baixas o aquecimento do digestor derivado de uma caldeira a metano ou de calor recuperado de um sistema de motor a g s A temperatura do tanque de digest o pode ser aumentada para o inter valo de mes filos 30 35 C onde a mat ria prima permanece em do digestor tipicamente por 15 a 30 dias ou dentro da faixa termof lica 55 65 C onde o tempo de resid nc
75. cimento 4 14 Instala o da manta geotextil lccclccll a 4 15 Teste de vazamentos do biodigestor 2 4 16 Biodigestor semi enterrado 0 4 17 Caixa de entrada do biodigestor 22 4 18 Caixa de sa da do biodigestor 22 4 19 Borbulhador da planta de biog s do LEA 4 20 Queimador da planta de biog s do LEA 2 4 21 Abastecimento da caixa de entrada 2 4 22 Transporte do esterco asa e RSS He YE SE a a ADE apa A 4 23 Animais confinados da Capril Said 2 2 2 2 4 24 Biodigestor com biog s lcccccccll a 4 25 Sistema de monitoramento da planta de biog s 4 26 Tela de abertura identifica o do usu rio 2 2 4 27 Tela de menu ste a sm SG ED a E EA 4 28 Tela do motor e gerador ooo a 4 29 Tela de relat rio de frequ ncia 2 22 4 30 Tela de press o vaz o 2 202200004 4 31 Tela de vaz o de g s sos Ya eas Hae a 4 32 Tela de acionamento de cargas 2 4 33 Instala o do sensor indutivo 5 1 Composi o do biog s LEA 5 2 Composi o do biog s conforme 41 92 XIV 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 5 15 5 16 5 17 Curva de resposta press o e vaz o o oo oaoa a 113 Curva de resposta frequ ncia e press o 2 2 113 Curva de resposta temperat
76. da chama provocando uma instabilidade na rota o do motor al m de provocar o resfriamento da c mara de combust o e em consequ ncia disso a extin o da chama impedindo o motor de funcionar motor afogado Com excesso de ar a chama se torna excessivamente lenta mantendo a combust o durante grande parte da expans o provocando o superaquecimento da c mara de combust o Esta condi o pode provocar a fus o da cabe a do pist o Na Tabela 4 1 s o dadas as caracter sticas do conjunto motor gerador modelo B4T 5000 Bio 90 91 Tabela 4 1 Caracter sticas do conjunto motor gerador B4T 5000 Bio 90 Unidade de For a monocil ndrico 4 Tempos Motor 11 CV Pot ncia M xima 4 KVA Pot ncia Nominal 3 6 KVA Tens o de Sa da 110 V 220 V bivolt Corrente de Carga 8 3 A Sistema de Partida partida manual e partida el trica Consumo 2m3 h N mero de P los 2 Rota o do Eixo 3600 RPM Frequ ncia 60 Hz Cilindradas 389 cc 4 3 Controlador L gico Program vel O Controlador L gico Program vel CLP utilizado no controle da planta de biog s foi o modelo Twido TWDLC E40DRF com 24 entradas 24 VDC e 14 sa das rel 2A e 02 sa das transistor 1A e expans es mode los TM2AMI4LT com 04 entradas anal gicas de 12 bits 0 10V 0 20mA PT100 PT1000 NT100 e NI1000 e TM2AMM6HT com 04 entradas e 02 sa das anal gicas de 12 bits 0 10V e 4 20mA Fig
77. dados pelo nivel da planta De uma forma resumida as a es associadas a este n vel s o Supervis o A outros n veis NIVEL DE PLANTA Rede de Planta Gateway Rede de Controle NIVEL DE CONTROLE ao HEGEL a a a aro O NECE N ERILEL N VEL DE Rede de Campo Figura 3 16 N veis de Rede 83 e Controle em tempo real e Seguran a e Interface Nesse n vel pode se citar como exemplo as redes Profibus FMS Modbus APRO3M e Controlnet N vel de Campo As redes que fazem parte deste n vel constituem a base na hierarquia da comunica o industrial Atrav s deste n vel torna se poss vel a aquisi o e atua o direta dos dados de ch o de f brica como valor de press o situa o de um motor ligamento e desligamento de uma v lvula De uma forma resumida as a es associadas a este n vel s o e Aquisi o das vari veis e Atua o sobre equipamentos 79 Nesse nivel pode se citar como exemplo as redes Profibus DP e PA AS Interface Interbus Devicenet APRO3M e Fieldbus Foundation H1 Na Tabela 3 7 seguem abaixo as caracteristicas principais entre os niveis de rede Tabela 3 7 Principais caracter sticas entre os n veis de rede 83 Caracter stica Planta Controle Campo Sensor Tamanho da Mensagem Mbytes Kbytes bytes bits Tempo de Resposta Segundos o a 100ms ms Micro segundos Dist ncia M xima Sem Limi 1Km
78. de 11 de novembro de 2003 alterado pelo Decreto n 6 442 de 25 04 2008 A meta de levar energia el trica para mais de 10 milh es de pessoas do meio rural at o ano de 2008 foi atingida em maio de 2009 At a implanta o do programa o mapa da exclus o el trica no pa s revelava que as fam lias sem acesso energia estavam majoritariamente nas localidades de menor Indice de Desenvolvimento Humano e nas camadas de baixa renda Os Sistemas Isolados s o predominantemente abastecidos por usinas t r micas movidas a leo diesel e leo combust vel embora tamb m abriguem pe 13 quenas centrais hidrel tricas PCH centrais geradoras hidrel tricas CGH e termel tricas movidas a biomassa Est o localizados principalmente nos Estados de Amazonas Roraima Acre Amap e Rond nia S o assim deno minados por n o estarem interligados ao SIN e por n o permitirem o inter c mbio de energia el trica com outras regi es em fun o das peculiaridades geogr ficas da regi o em que est o instalados Segundo dados da Eletrobr s esses sistemas atendem a uma rea de 45 do territ rio brasileiro e a cerca de 3 da popula o nacional e aproximadamente 1 3 milh o de consumidores espalhados por 380 localidades Em 2008 respondiam por 3 4 da energia el trica produzida no pa s Os sistemas isolados de maior porte suprem as capitais Rio Branco AC Macap AP Manaus AM e Porto Velho RO e o estado de Roraima com
79. dois diferentes combust veis o primeiro ensaio utilizando apenas gasolina e o segundo utilizando a gasolina para a partida do motor e posteriormente efetuando a mudan a para o biog s Para determinar as curvas de resposta do sistema do conjunto foi inserida 112 co Figura 5 1 Composi o do biog s LEA co Figura 5 2 Composi o do biog s conforme 41 uma perturba o de aproximadamente 60 da pot ncia nominal do gerador Os dados de vaz o press o temperatura e frequ ncia foram coletados antes e ap s a perturba o atrav s de sensores e enviados para mem ria do CLP transmitido para o sistema supervis rio atrav s do protocolo Modbus e pos teriormente armazenados no banco de dados hist rico relat rio criado no computador de monitoramento da planta Nas Figuras 5 3 5 4 e 5 5 demonstrado o comportamento das variaveis de press o vaz o frequ ncia e temperatura quando utilizado o biog s para o funcionamento do conjunto motor gerador Na Figura 5 3 se observa que ao aumentar a abertura da v lvula propor cional aumento da vaz o o sistema reduz a press o de 30 mbar para press o 20 mbar v cuo ocasionada pela suc o de combust vel do conjunto mo tor gerador Na Figura 5 4 mostrado um comportamento semelhante curva de 113 Figura 5 4 Curva de resposta frequ ncia e press o Figura 5 5 Curva de resposta temperatura e vaz o 114
80. e Energia Cerca de 8 000 unidades principalmente os modelos chin s e indiano al m de alguns de pl stico tinham sido constru dos at 1988 dos quais 75 estavam funcionando adequadamente 45 Ainda que inexistissem dados precisos quanto ao n mero de biodigestores no pa s a Emater calculou que em 1984 este n mero era de 3 000 biodigesto res principalmente do modelo Indiano utilizado para biodigest o de dejetos de bovinos De acordo com 46 utilizando os dados do Levantamento Agro pecu rio Catarinense 2002 2003 e considerando somente produtores com mais de 50 cabe as de su nos 7 158 suinocultores verificou se que 0 08 deles possu am biodigestores e 99 2 esterqueiras Um projeto experimental na Bahia usou o esterco de 100 caprinos 50 kg por dia em um biodigestor de lona de PVC A produ o de biog s foi de 3 m dia O Nordeste brasileiro tem um efetivo aproximado de 17 140 000 caprinos e ovinos a produ o de dejetos desse rebanho de aproximadamente 3 120 000 ton ano que pode produzir anualmente atrav s do biog s 1 032 GWh 47 Em um estudo realizado pela Universidade Federal do Cear no munici pio de Pentecoste no estado do Cear constatou que o investimento para a constru o do biodigestor foi de R 3 277 00 Os resultados demonstraram que 1 m de biog s produzido partir de esterco de caprino equivale a 0 75 L de gasolina o suficiente para substituir cerca de 30 do volume de gasolina consumido
81. e eletrifica o rural no Brasil e portanto a redu o dos custos de constru o de redes uma condi o es sencial para prover energia regi es rurais vastas e com baixa densidade demogr fica Outra quest o importante a manuten o corretiva da rede el trica que tamb m aumenta o custo operacional dessa em regi es remotas 30 Parale lamente o planejamento energ tico brasileiro foi feito de forma centralizada durante d cadas gerando depend ncia das reas rurais em rela o aos cen tros de decis o Contudo a proximidade do territ rio brasileiro da linha do Equador regi o de alta produ o de biomassa e de voca o pecu ria e agr cola abre as possibilidades de complementa o desta matriz energ tica com a produ o de biog s a partir de biomassa originada de detritos agropecu rios para energizar o meio rural brasileiro O estudo desenvolvido por 31 em 2003 avaliou o potencial de produ o de energia el trica atrav s do biog s na regi o do meio oeste catarinense 16 concluiu que o consumo m dio de energia nas propriedades foi de 600 a 1 800 kWh m s Tomando como base apenas a cria o de su nos produ o m dia de 50 m de biog s dia teoricamente a capacidade de gerar eletricidade por propriedade era aproximadamente 2 160 kWh m s Com esta produ o as propriedades poderiam se tornar auto suficientes em energia el trica ado tando um sistema que seria capaz d
82. e gerar 25 KVA h de pot ncia el trica Segundo estimativas nesse ano o empreendimento passaria ser vi vel econo micamente quando a propriedade possuisse capacidade de produ o de 200 m dia de g s o que geraria uma produ o aproximada de 300 kVAh dia Um estudo realizado do custo de gera o de energia el trica atrav s do sistema de gaseifica o do caro o de a a na regi o amaz nica mostrou que o custo foi de R 0 23 kWh o que representa quase um ter o do custo de gera o de energia a partir de uma planta a diesel e que o custo do kWh cobrado na zona rural pela Companhia Energ tica do Amazonas CEAM foi de R 0 20 pouco inferior ao custo encontrado para o sistema de gaseifica o testado Considerando os n veis elevados de aumentos tarif rios que vem se verificando se pode afirmar que a tecnologia de gaseifica o nas condi es postas se apresentava como uma alternativa extremamente competitiva 32 1 2 3 Disponibilidade de Biomassa no Brasil Os sistemas modernos de bioenergia s o importantes contribuintes para sistemas energ ticos sustent veis e desenvolvimento sustent vel A biomassa uma op o atrativa para a mitiga o das mudan as clim ticas no setor energ tico porque relativamente barata e pode ser utilizada para produzir eletricidade assim como combust veis l quidos gasosos e s lidos refinados 33 Nas regi es Norte e Nordeste segundo dados da Uni o da Ind stria de
83. e mostrou eficaz na partida do conjunto motor gerador reduzindo a interven o humana no con 127 trole de vaz o de g s na alimenta o do conjunto O sistema proposto n o necessita de ajuste intermedi rios na v lvula de expans o Assim oferece pos sibilidade de inserir a partida autom tica no sistema e ainda proporcionar o acesso ao controle e monitoramento remoto da mesma A sistem tica adotada na pesquisa permite que os dados obtidos possam servir de ponto de partida para modelamentos computacionais e melhoria dos par metros de controle tempo de resposta para estabilidade amplitude m xima com carga da planta de biog s do LEA A instala o do biodigestor cont nuo deve ser o mais pr ximo poss vel do local de coleta do material org nico Esse fator reduz os custos de transporte al m de permitir a carga di ria do biodigestor O biodigestor utilizado no LEA do tipo tubular de ciclo cont nuo Devido dist ncia entre o biodiges tor LEA e Capril Said Eus bio as cargas foram colocadas em batelada 1200 litros Essa forma de abastecimento permitiu apenas a produ o de biog s a cada dois meses para realiza o dos ensaios com carga m xima A falta de suporte e informa es t cnicas detalhadas nos manuais do fa bricante do conjunto motor gerador interferiram nos ajustes do equipamento As informa es dos par metros de funcionamento e regulagem do controlador centr fugo n o constam no
84. e por emitir infor ma es ao sistema controlado coordenando assim as a es da parte operativa A parte tr s da norma TEC 61131 dividida basicamente em duas sub 68 partes Elementos comuns e Linguagens de Programa o Apesar das lin guagens de programa o serem mais difundidas no mercado de automa o industrial os elementos comuns definem as principais caracter sticas da TEC 61131 3 Cada uma das cinco linguagens de programa o deve trabalhar com todos os elementos comuns definidos pela norma As cinco linguagens definidas pela norma s o e Textuais Lista de Instru es IL e Texto Estruturado ST e Gr ficas Diagrama Ladder LD e Diagrama de Blocos Funcionais FBD e Estrutura o de Programas Textual ou Gr fica Seqiienciamento Gr fico de Fun es SFC 3 7 4 Interfaces de Comunica o dos CLP 3 7 4 1 M dulos de Entradas e Sa das Digitais Os m dulos de entradas e sa das s o interfaces entre os elementos de campo sensores e atuadores e a l gica de controle de um controlador pro gram vel Estes m dulos s o constitu dos de cart es eletr nicos cada qual com capacidade para receber um certo n mero de vari veis O objetivo principal da interface permitir que os diferentes sinais rece bidos ou enviados dos dispositivos em campo sejam reconhecidos pela UCP Os sinais recebidos de sensores s o por exemplo os bot es interruptores de limite sensores anal gicos s
85. ela baixa renda e pouco consumo de energia se constituindo em mercados pouco atrativos para as concession rias face aos grandes investimentos ne cess rios para o atendimento sem perspectivas de retorno financeiro Para atendimento destas comunidades a utiliza o de sistemas isolados que ge rem energia a partir de fontes renov veis tem se tornado uma solu o vi vel Estes podem ser do tipo individual onde cada unidade consumidora possui um gerador independente ou centralizado onde as unidades consumidoras s o atendidas por meio de uma mini rede de distribui o Os sistemas cen tralizados s o mais robustos do que os individuais por serem mais facilmente controlados al m de terem custos de opera o e manuten o reduzidos S o geralmente compostos de fontes renov veis diferentes e por isto chamados de sistemas h bridos Combinam as caracter sticas complementares das fontes aproveitando as peculiaridades de cada fonte utilizada 23 12 Eh Bel m Macei Aracaj j Legenda 14 000 MW dA mago Garabi 230 kV 2 178 MW Florian polis Ww Jacui 500 KV oe ee Porto Alegre 750 KV ce ae oe oe t600 kV cc mm Centro de Carga N mero de circuitos existentes Bacia hidrogr fica Usina hidr ulica Figura 1 1 Mapa de integra o eletroenerg tica do Brasil 22 Por ocasi o do lan amento do Programa Luz para Todos instituido pelo Decreto n 4 873
86. electores e interruptores thumbwheel que s o conectados a terminais sobre as interfaces de entrada Os dispositivos que ser o controlados como motores acionadores de partida v lvulas solen ides l mpadas v lvulas e posi o est o ligados aos terminais das interfaces de sa da A fonte de alimenta o do sistema fornece todas as tens es necess rias para o bom funcionamento da UCP alimenta o da interface e chaveamento dos m dulos de entrada e sa da Na Figura 3 11 pode visto o esquema de interface das entradas e sa das do CLP 69 Interfaces de Entradas e Saidas M dulo de Entrada M dulo de Sa da Figura 3 11 Interface de Entradas e Sa das 84 Existe uma variedade muito grande de tipos de cart es para atender s mais variadas aplica es nos ambientes industriais Mas apesar desta grande variedade os elementos que informam a condi o de grandeza aos cart es s o dos tipos e Elemento Discreto Trabalha com dois n veis definidos e Elemento Anal gico Trabalha dentro de uma faixa de valores As entradas digitais s o encontradas em tens o cont nua geralmente 24 Vdc ou em corrente alternada 110 V ou 220 V As entradas em corrente cont nua possuem duas formas de chaveamento sendo uma utilizada para sensores que possuem a configura o NPN ne gativo para a entrada que permite um fluxo de corrente da entrada para o potencial negativo da fonte de aliment
87. em induzir erros esta cion rios conhecidos como offset O aumento no ganho do controlador pode reduzir o offset ou o erro permanente mas a resposta tende a ser oscilat ria e em alguns casos tende a instabilidade do sistema A fun o de transfer n 54 cia no dom nio do tempo de um controlador proporcional pode ser descrita conforme a Equa o 3 1 C s Kc 3 1 A fim de eliminar o erro estacion rio offset a a o integral freq en temente inclu da Dessa forma a a o de controle atua em propor o direta ao tempo integral do erro O par metro de ajuste integral que chamado de tempo de reset ou o tempo integral definido normalmente em minu tos O algoritmo do controlador PI realiza continuamente as interven es no processo at que a diferen a entre a SP e PV diminua at que o erro seja zero e 0 Em processos que se caracterizam por ter constante de tempo grande mudan as lentas este algoritmo torna se ineficiente A fun o de transfer ncia no dom nio do tempo de um controlador proporcional integral pode ser descrita conforme a Equa o 3 2 CG 1 z 3 2 TS A a o derivativa usa a tend ncia da vari vel do processo em atingir o valor de refer ncia para fazer os ajustes necess rios A tend ncia do processo estimada usando a derivada do sinal de erro com rela o ao tempo A a o derivativa associada com a a o proporcional PD resulta em uma corre o antecipad
88. entice Hall 2005 368 p ISBN 8576050102 85 ELIPSE HMI SCADA software manual do usu rio 2 29 ed Porto Alegre Elipse SCADA Ltda 2008 102 p 86 LJUNG L SODERSTROM T Theory and Practice of Recursive Identification Massachusetts MIT Press 1987 552 p ISBN 0262620588 139 87 COELHO A COELHO L Identifica o de Sistemas Din micos Lineares 1 ed Florian polis UFSC 2004 181 p ISBN 853280280X Esta disserta o foi produzida com ATEX
89. erificado que na atual conjuntura existe uma grande margem para o desenvolvimento de melhorias no aproveitamento da bio massa atrav s de biodigestores Este incremento na efici ncia do processo de convers o energ tica da biomassa pode ser encontrado principalmente com o uso de tecnologias de automa o e controle Vari veis como vaz o press o temperatura e umidade do biog s necessitam ser monitoradas visando um uso mais eficiente tanto para gera o de calor como para gera o de eletrici dade Cap tulo 3 Identifica o e M todos de Controle de Sistemas No presente cap tulo s o abordadas a teoria de controle t cnicas uti lizadas na identifica o de sistemas m todos de sintonia de algoritmos de controle PID controle de vaz o e os principais sistemas de supervis o e con trole 3 1 Controle O conceito de controle origin rio do franc s contrerole como tam b m do latim medieval contrarotulus que significava contralista isto segundo exemplar do cat logo dos contribuintes com base no qual se veri ficava a opera o do cobrador de tributos designando um segundo registro organizado para verificar o primeiro O aparecimento do termo na l ngua por tuguesa deu se em 1922 significando o ato ou efeito de controlar monitorar fiscalizar Segundo 64 o primeiro trabalho significativo de controle foi o de James Watt que construiu no s culo XVIII um controlador centr fugo para con
90. erificar a resposta do sistema Por fim foram efetuadas coletas de dados atrav s de sensores e sistemas de aquisi o para realizar an lises em diversos mbitos a fim de validar as simula es realiza das 1 4 Objetivos O custo de implanta o de um sistema de controle de vaz o que segundo 40 a terceira grandeza mais medida nos processos industriais est re lacionado com o tamanho dos componentes A robustez dos equipamentos depende das vari veis do processo ou seja press es e vaz es elevadas inter ferem diretamente nos custos de implanta o de uma unidade geradora de eletricidade que utiliza biog s A presente disserta o tem como objetivo realizar o controle de vaz o de biog s e monitoramento do processo assim como estabelecer a melhor estra t gia de controle PI aplicadas ao controle de vaz o de uma planta de biog s 20 com baixa press o do Laborat rio de Energias Alternativas da Universidade Federal do Cear Os objetivos espec ficos s o e Desenvolver o controle e sistema de supervis o da planta de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas da UFC e Avaliar o comportamento do controlador PI Paralelo comparado ao controle existente no conjunto motor gerador em rela o a varia o de carga e Possibilitar futuras estrat gias de identifica o e controle em estudo permitindo a valida o dos resultados obtidos em ambiente de simula o avaliando seu desempe
91. ermina o da diferen a entre a amplitude da vari vel controlada PV e um valor desejado denominado refer ncia ou 47 Refer ncia Sinal de Controle Comparador Sa da Figura 3 1 Controle de feedback em um processo adaptado de 66 Controlador Entrada Vari vel Manipulada Vari vel Controlada Elemento de Medi o Elemento de Controle setpoint SP Qualquer diferen a entre os dois um sinal de erro que amplificado e condicionado a alimentar um elemento de controle O contro lador por vezes realiza a detec o enquanto que o ponto de refer ncia normalmente armazenado na mem ria do controlador 66 A perturba o tamb m conhecida como carga atua no sistema de uma forma imprevis vel e o objetivo do controle manter o valor da sa da da vari vel controlada PV igual a um valor desejado SP Essa compara o entre a PV e o SP pode gerar um erro e que deve ser eliminado pelo algoritmo de controle O controlador em Feedback basicamente mede a vari vel controlada do processo compara com o valor desejado setpoint encontra o erro e cal cula uma sa da de controle para modificar a vari vel manipulada at que o erro seja eliminado ou permane a dentro de limites considerados como nulos Desta forma sempre que surgir uma oscila o no sistema o controlador ser capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o valor da vari vel controlad
92. esposta do PID paralelo ao degrau Para realizar os ensaios foi utilizado apenas a configura o PI pois o bloco PID do Controlador L gico Program vel utilizado n o permite inserir valor negativo no par metro D D 0 Na Figura 5 15 pode ser observada a parametriza o do bloco PID do CLP 122 Ts PID Controller Ti Td Kp ori Jo Figura 5 15 Parametriza o do bloco PID paralelo Na Figura 5 16 pode ser observada a resposta do sistema quando utilizado o controlador centr fugo e a v lvula proporcional controlada pelo algoritimo PI A Tabela 5 5 mostra o comportamento do controlador centr fugo com biog s com aplica o de cargas 70 a O ee es e ee re errr Or ee oT OS n O um Q oOo Frequ ncia Hz No Oo oO Sn nn ne ee ee Se ee RREO bers 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Tempo seg Figura 5 16 Curva de frequ ncia dos controladores simult neos com biog s Ao partir o motor um sinal de frequ ncia enviado ao controlador PI que atua juntamente com o controlador centr fugo no motor Com o fechamento 123 da torneira de gasolina o motor temporariamente trabalha com a mistura dos dois combust veis gasolina biog s A mistura de combust veis juntamente com a a o dos controladores provocam a oscila o no sistema sem cargas que observado no intervalo de 8 a 16 segundos A entrada da carga provocou uma amplitude m
93. est o relacionados com as vari veis f sicas de campo Al m disso o usu rio pode fazer acionamentos e enviar ou receber informa es para os equipamentos de aquisi o de dados poss vel ainda realizar c lculos atrav s de utiliza o de linguagem de programa o criar bases de dados hist ricas relat rios receitas e inclusive supervisionar e controlar um processo dist ncia Para a execucao do Elipse SCADA exigido um computador PC com pat vel com a seguinte configurac o Processador Pentium 200 MHz ou superior ou equivalente 32 MB de memoria RAM 64 MB recomendado Monitor e placa de video com resolucao 640x480 10 MB de espaco livre em disco 83 e Microsoft Windows XP vista e Seven e Porta paralela ou USB O software est dispon vel em quatro m dulos View MMI Professional e Power Todos os m dulos acima possuem versao Configurador Runtime e Master O Configurador destinado ao desenvolvimento de aplica es de supervis o de processos Para a realiza o de testes o Configurador permite rodar aplica es por at dez minutos O Runtime utilizado para rodar aplicativos de supervis o de processos ap s estes terem sido desenvolvidos com o uso do Configurador O Master agrega na mesma ferramenta um m dulo de Configurador e um Runtime permitindo portanto a configura o e execu o num s produto Quando na aus ncia de um dispositivo de prote o hardkey o sof
94. estabilidade em no m nimo 20 mostrando uma resposta satisfat ria e boa estabilidade para a transi o da gasolina para o biog s com amplitude de 10 Hz e 8 segundos para estabiliza o do sistema sem carga A a o foi considerada vi vel para automatizar o processo de partida do conjunto motor gerador Palavras chave Biog s Biodigestores Algoritmo PI Controle de Vaz o Sistema de Monitoramento vi Moreira A P Low Pressure Biogas Flow Control for Decentralized Electri city Production Federal University of Cear UFC 2011 153p The present dissertation proposes the implementation of a data acquisi tion system control and monitoring of a electricity generation plant powered by biogas The experimental study of the modelling strategies identification and control was done applied to flow control of the biogas plant of the Rene wable Energy Laboratory LEA at the Federal University of Cear UFC To control the biogas flow a parallel PI controller was used and tested and the controller was used to perform the comparison with the existing control centrifugal control of the gen set To check the response of the gen set powered by biogas a load corresponding of 60 of the nominal power was used The proposed system reduced the human intervention in flow setting of the expansion valve The results showed that the stability response time after the introduction of the PI controller to the original controller allowed
95. et al Biog s panorama e perspectivas de gera o de energia el trica para a sustentabilidade no meio rural VI Congresso de Pesquisa e Inova o da Rede Norte Nordeste de Educa o Tecnol gica Natal 2011 e Projeto de Financiamento para a Aquisi o de Equipamentos do LEA UFC BNB Uso eficiente de biog s produzido em biodigestores Fortaleza 2010 Refer ncias Bibliogr ficas 1 ANTONIO D Off grid electricity for developing countries IEEE Review v 45 p 25 28 August 2002 2 CARNEIRO R Desenvolvimento em crise a economia brasileira no ltimo quarto do s culo XX Unesp Unicamp S o Paulo 2002 3 RIDALVO M A O Impacto do racionamento nos resultados das empresas concession rias do servi o p blico de distribui o de energia el trica um estudo nas empresas privadas da regi o Nordeste 2003 199f Disserta o Mestrado em Ci ncias Cont beis Universidade Federal do Rio Grande do Norte Natal 4 FOCCACI A Empirical analysis of the environmental and energy policies in some developing countries using widely employed macroeconomic indicators the cases of Brazil China and India Energy Policy v 33 n 4 p 543 554 March 2005 5 GHISI E et al Electricity end uses in the residential sector of Brazil Energy Policy v 35 n 12 p 4101 4120 August 2007 6 COHEN C SCHAEFFER M L e R Energy requirements of households in Brazil Energy Policy v 33 n 4 p 555 562 2005 7 GOME
96. exce o da capital Boa Vista e seus arredores abastecidos pela Venezuela Manaus tem o maior deles com 50 do mer cado total dos sistemas isolados 15 De acordo com o Banco de Informa es de Gera o da Ag ncia Nacional de Energia El trica Aneel em Julho de 2011 existem 410 termel tricas movidas a biomassa no pa s que correspondem a um total de 8 3 mil kW instalados Do total de usinas relacionadas 14 s o abastecidas por biog s 70 022 KW 24 1 1 3 Dificuldades na Gera o Descentralizada Uma das dificuldades para a implanta o de sistemas de gera o descen tralizados com redes ou individuais consiste na falta de uma regulamenta o espec fica que garanta a qualidade do atendimento 25 Para implanta o de pequenas unidades geradoras de energia o custo de implanta o um aspecto relevante No sistema de gera o de eletricidade com o biog s quando s o utilizadas press es elevadas como as citadas por 26 utiliza se obrigatoriamente equipamentos e pe as mais resistentes que s o normalmente onerosas acarretando dificuldade implanta o de sistemas de pequeno porte em regi es isoladas e com popula o com baixa renda Portanto s o necess rios estudos sobre a utiliza o de equipamento de menor porte como por exemplo o sistema de controle de vaz o do biog s com baixa press o a fim de viabilizar sua utiliza o em propriedades rurais e agroind strias produtoras de bi
97. fermenta o ocorre mais inten 99 Figura 4 13 Trincheira modelada com as placas pr moldadas de cimento Figura 4 14 Instala o da manta geotextil samente quando a temperatura do material estiver entre 30 e 35 C onde nestas condi es a produ o de biog s por quilograma de material utilizado maior e ocorre em menor tempo Por essa raz o o biodigestor instalado semi enterrado conforme a Figura 4 16 pois abaixo da superf cie do solo as temperaturas s o mais elevadas e as suas varia es s o menores Al m disso o manejo dos biodigestores semi enterrados mais f cil de ser executado Segundo 41 a caixa de entrada pode ser um tonel pl stico ou tanque de alvenaria dependendo do volume da carga di ria N o recomendada a 100 Figura 4 16 Biodigestor semi enterrado utiliza o de ton is de metal pois enferrujam rapidamente A caixa de sa da deve ser dimensionada tr s vezes o volume da carga di ria para permitir armazenamento do biofertilizante A caixa de entrada da planta de biog s do LEA foi feita com alvenaria com as dimens es 1 m x 1 m x 1 m conforme a Figura 4 17 Assim como a caixa de entrada a caixa de sa da foi feita com alvenaria nas dimens es 1 5 m x 1 5 m x 1 m como pode ser visto na Figura 4 18 Junto ao biog s existe vapor d gua que por condensa o se deposita nos 101 Figura 4 17 Caixa de entrada do Figura 4 18 Caixa de sa
98. gerador n o depende de press o positiva no interior do biodigestor pois foi verificado nos ensaios que o conjunto motor gerador em funcionamento produziu a press o negativa de 20 mbar v cuo que foi respons vel pela suc o do biog s A temperatura do biog s observada na entrada do conjunto motor gerador de 34 C demonstra que o interior do biodigestor possui condi es favor veis para a fermenta o do substrato Utilizando os par metros proporcional e integral sugeridos no m todo de sintonia do Matlab Simulink o controlador PI juntamente com o controla dor centr fugo apresentou um desempenho satisfat rio no ponto de vista do tempo de estabilidade com a varia o da carga comparados ao controlador centr fugo existente atuando individualmente Comparando os resultados ob 126 tidos nos ensaios observa se que o sistema com controlador centr fugo com gasolina apresentou melhor tempo resposta 6 2 s para estabilidade ap s a aplica o da carga seguidos dos sistemas com controladores simult neos centr fugo PID com biog s 10 s e centr fugo com biog s 12 2 s Contudo um tempo de resposta menor significa uma amplitude de fre quencia maior sendo respectivamente registrada para os controladores cen tr fugo com gasolina controladores simult neos e centr fugo com biog s de 17 Hz 16 Hz e 6 Hz O que pode ser justificado pelo fato de quanto maior a a o do controlador em corrigir o erro ac
99. ia normalmente 12 a 15 dias Os sistemas termofili cos de digest o oferecem maior produ o de metano mas exigem tecnologia mais cara maior entrada de energia e um maior grau de monitoramento Normalmente cerca de 30 a 60 da massa da mat ria prima de biomassa s o convertidos em biog s metano e di xido de carbono 2 1 4 1 Panorama do Consumo da Biomassa Biog s A biomassa uma das fontes para produ o de energia com maior po tencial de crescimento nos pr ximos anos Tanto no mercado internacional quanto no interno ela considerada uma das principais alternativas para a diversifica o da matriz energ tica e a consequente redu o da depend ncia dos combust veis f sseis Dela poss vel obter energia el trica e biocombusti veis como o biodiesel e o etanol cujo consumo crescente em substitui o a derivados de petr leo 15 41 De acordo com os dados preliminares do Balan o Energ tico Nacional BEN documento produzido pela Empresa de Pesquisa Energ tica EPE a oferta de energia n o renov vel no pa s sofreu redu o de quase 6 entre 2008 e 2009 As fontes renov veis apresentaram queda dez vezes menor 0 6 o que contribuiu para um perfil ainda mais renov vel da matriz nacional As fontes renov veis produtos da cana de a car hidreletricidade biomassa responderam por 47 3 de toda a energia da matriz energ tica brasileira em 2009 61 Em 2009 a participa o da biomassa na
100. ia solar 7 7 GW e terceiro maior em energia e lica 25 7 GW Possui 29 de sua matriz de energia el trica baseada em fontes renov veis com 36 2 GW instalados at 2009 17 e Espanha Apesar de uma matriz energ tica fundamentada na energia hidrel trica a Espanha iniciou o desenvolvimento de energias renov veis apenas ap s a crise do petr leo dos anos 70 Este desenvolvimento foi motivado principalmente pela necessidade de diversifica o e descentraliza o da matriz el trica e para reduzir a depend ncia de importa es de energia Em 2000 foi criado o Plano para a Promo o de Energias Renov veis na Espanha que previa a participa o de 12 das fontes renov veis na matriz energ tica e 29 4 na gera o el trica at 2010 Dividido em duas fases primeiro de 2000 a 2006 em seguida de 2006 a 2010 o plano foi respons vel por uma consider vel expans o da gera o e lica no pa s apesar de n o ser espec fico sobre a dura o do apoio ao sistema tarif rio e China Liderou os investimentos em energias renov veis em 2009 com US 32 6 bilh es atingindo 52 5 GW de capacidade instalada dos quais 26 GW pro venientes da fonte e lica devendo alcan ar entre 100 e 150 GW instalados at 2020 Principal produtor de pain is fotovoltaicos do planeta com mais de 50 empresas atuando no setor 17 e Reino Unido Apesar de gerar a maior parte de sua energia a partir de t rmicas a carv o e g s natu
101. iagrama de blocos do algoritmo PID que utiliza uma fun o de raiz quadrada e um compensador lead lag que um componente do sistema de controle que melhora a resposta de freqii ncia indesej vel em um sistema de controle feedback Entrada Antecipat ria Vari vel do Processo D Conversor de Entrada Anal gica Conversor de Sa da Anal gica Figura 3 14 Diagrama PID com raiz quadrada 83 73 3 7 4 4 M dulos de Interface de Rede Os m dulos de interface de rede permitem uma s rie de CLP e outros dispositivos inteligentes a comunicar e transmitir dados em alta velocidade Atualmente muitos fornecedores fabricam produtos que s o compat veis com diferentes ambientes de rede de CLP Entre as mais populares redes est o e N vel de dispositivo redes de autocarros por exemplo CANbus Seri plex etc que s o usadas por dispositivos discretos e Processo de redes de campo por exemplo Fieldbus e Profibus que s o usados por dispositivos anal gicos e Redes Ethernet TEEE 802 3 usadas pelos CLP CPU e computadores e Redes propriet rias Atrav s do m dulo de interface de rede toda a comunica o necess ria conex es e protocolos permite que uma mensagem seja repassada na rede Em geral quando um processador ou outro dispositivo de rede envia um mensagem sua interface de rede transmite a mensagem atrav s da rede na velocidade da rede que estabelecida pela taxa de transmiss o A in
102. iodigestor su a ei ae A ae EA E E we oe E vil xi xii XV 10 13 14 14 15 16 18 19 19 20 Vill 2 1 3 Modelos de Biodigestores 0 2 2 1 3 1 Modelo ndiano 2 2 sas SS AEE SAE 2 1 3 2 Modelo Chin s su eas aot ae ao ey 2 1 3 3 Modelo Tubular Solar 2 0202 2 1 3 4 Mat ria Prima do Biodigestor 2 1 4 1 Panorama do Consumo da Biomassa Biogas 2 1 4 2 Perspectivas para o Uso de Biodigestores 3 Identifica o e M todos de Controle de Sistemas 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 Controle 2s g seed de katad de o Bend Hh Sa EE ra aia 3 1 1 Formas de Controle ss 400 a a dow a 3 1 1 1 Malha de Controle Feedback 3 1 1 2 Malha de Controle Feedforward 3 1 1 3 Controladores Feedback ON OFF Identifica o de Sistemas oa a a a a a a a Controlador Centr fugo ap ooo oo cao Bk ae Bh Algoritmo de Controle PID 3 4 1 Varia es do Controle PID 2 2 2 Sid PIO Ideal os 2 6 atk 4 dee dekh be GS a i 341 2 PID Paralelo ca seas E E E Sintonia Para Controladores PID Controle de Vaz o 22 44 20 ES pd f Gn Gok bee pad 3 6 1 Modelamento da Equa o de Bernoulli Controlador L gico Programavel 3 7 1 Estrutura do CLP us sam 4 amp ee deb done hed 3 7 2 Mem ria do CLP eps der got dink Pe ki eS Se a E 3 7 3 Linguagens de Programa o 3 7 3
103. ixo Essa fonte energ tica pode ser utilizada como com bust vel para fog es motores e na gera o de energia el trica Na Tabela 2 3 mostrado os valores de equival ncia do biog s com outros combust veis Diversos pa ses t m pesquisas com digest o anaer bica e muitos deles j produzem comercialmente o biog s Na Europa essa produ o difundida por v rias raz es A produ o de biog s economicamente vi vel as insta la es t m opera o simples e s o facilmente montadas eletricidade e calor podem ser gerados sem emiss o de di xido de carbono a emiss o de metano reduzida pois evita o armazenamento de dejetos dos animais e melhora a qualidade do biofertilizante Essas s o algumas vantagens que t m levado os europeus para a produ o do biog s 57 38 Tabela 2 3 Equival ncia do biog s 0 60 de CH4 48 Biog s m Equival ncia Combust vel 1 0 0 61 litros de gasolina 1 0 0 55 litros de diesel 1 0 0 57 litros de querosene 1 0 0 45 kg de g s liquefeito 1 0 0 79 litros de lcool combust vel 1 0 1 538 kg de lenha 10 de umidade 1 0 1 428 kwh A Inglaterra e a Alemanha sao os paises de maior representatividade onde 39 e 35 respectivamente suas participa es na produ o total de biog s Baseado na produ o total de res duos poss veis de serem processados para produ o de biog s desses pa ses teoricamente a produ o de biog
104. la de controle de vaz o acompanhamento da evolu o da vaz o de biog s e abertura da v lvula proporcional assim como gerar relat rios com intervalo de 1 milisegundos e apag los a qualquer momento Laborat rio de Energias Alternativas Universidade Federal do Cear Vaz o Vaz o de G s Figura 4 31 Tela de vaz o de g s e Tela 07 Tela de acionamento de cargas A tela de acionamento de cargas Figura 4 32 permite o usu rio selecionar 109 e acionar a pot ncia desejada atrav s de l mpadas halogenas sendo poss vel selecionar as cargas de 500 W 1000 W 1500 W e 2000 W Laborat rio de Energias Alternativas Universidade Federal do Cear Localiza o s D E Es 500 w cma fa EN ER e SEA tie Uc a 2000 w Ui E HHHH Figura 4 32 Tela de acionamento de cargas 4 8 Din mica do Sistema de Controle O presente estudo foi realizado comparando se a resposta do sistema quando aplicado uma perturba o no processo No primeiro momento s o realizados ensaios utilizando o controlador centr fugo pertecente ao conjunto motor gerador e posteriormente realizando a manipula o da vaz o do g s utilizando o algoritimo PID a fim de obter o controle de rota o frequ ncia e tens o Para determinar o comportamento frequ ncia x pot ncia do conjunto motor gerador quando aplicada a carga foi insta
105. lado um dispositivo de contagem de pulsos composto por um sensor indutivo e um disco com seis furos equidistantes como apresentado na Figura 4 33 O disco perfurado foi acoplado ao eixo do gerador atrav s de um prolongamento permitindo as sim contar os pulsos por rota o do eixo O dispositivo tem o funcionamento semelhante ao encoder de deslocamento angular Para se ter uma leitura de pulsos mais precisa o disco perfurado foi usinado em um centro de usinagem Discovery 1000 com comandos num 110 Figura 4 33 Instala o do sensor indutivo ricos computadorizados CNC A usinagem foi realizada no Laborat rio de M quinas Operatrizes LMO do Instituto Federal de Educa o Ci ncia e Tecnologia do Cear IFCE Cap tulo 5 Ensaios e Resultados No presente cap tulo s o apresentados os resultados e os ensaios realizados na planta de produ o de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas LEA da Universidade Federal do Cear UFC 5 1 Ensaios 5 1 1 Analise do Biog s do LEA A analise do biog s foi realizada pela Petrobr s Lubnor com o detector CP3800 O resultado da an lise do biog s produzido no LEA comparado ao citado em 41 apresentou valores ideais de composi o com 59 de CH4 principal componente As Figura 5 1 e 5 2 apresentam as caracter sticas do biog s produzido nas pesquisas 5 1 2 Din mica das Vari veis do Processo O presente estudo foi realizado utilizando
106. lhas de controle industrial estivesse mais pr xima da realidade te rica desenvolvida no meio acad mico e cient fico Entretanto dados da literatura t m mostrado que mesmo com todo o avan o as malhas de controle PID n o s o adequadamente sintonizadas 71 75 pesquisou a ind stria de manufatura malhas de temperatura fluxo vaz o press o e mostrou que 30 das malhas opera em modo manual 20 utiliza a sin tonia do controlador que veio da f brica n o importando as caracter sticas espec ficas de cada malha ou suas condi es de funcionamento 30 apresen tou problemas relativos ao pobre desempenho dos sensores e elementos de atuadores O algoritmo PID usa o erro de tr s m dulos distintos para produzir a sa da ou vari vel manipulada A partir desses m dulos encontr se as formas de controle puramente proporcional proporcional e integral proporcional e derivativo e proporcional integral e derivativo O controle puramente propor cional um controle que atua de forma corretiva onde a corre o da vari vel controlada proporcional ao valor do sinal do erro e Esta uma a o simples e intuitiva que bastante semelhante ao comportamento humano Se o objetivo de uma determinada atividade est longe intuitivamente o c rebro determina uma a o maior e quando o objetivo se aproxima um pequeno passo executado A magnitude dessas a es pode ser considerada como ganho do controlador Kc que obviamente pod
107. lizante que poder ser utilizado como adubo org nico nova mente no Centro de Ci ncias Agr rias Dessa forma o ciclo de integra o reiniciado A planta de biog s do LEA composta por um biodigestor do tipo tu bular v lvulas de fechamento com acionamento manual gaveta e esfera conjunto motor gerador sistema de controle com CLP e m dulos de ex pans o anal gicos e digitais sistema de monitoramento com computador e programa de supervis o Elipse SCADA e sistema de controle de vaz o composto por v lvula de controle proporcional de vaz o sensores de vaz o press o e temperatura A Figura 4 2 mostra a unidade de controle de vaz o da planta de biog s do LEA Figura 4 2 Unidade de controle de vaz o da planta de biog s 90 4 2 Conjunto Motor Gerador O conjunto motor gerador usado na presente pesquisa fabricado no Brasil pela Cia Branco Motores modelo B4T 5000 Bio Figura 4 3 De ciclo Otto ou de igni o por centelha tem o funcionamento baseado em quatro tempos Nos motores quatro tempos cada fase do ciclo realizada em um curso do pist o sendo que para realizar os quatro ciclos s o necess rias duas voltas do virabrequim 720 Figura 4 3 Motor Gerador modelo B4T 5000 Para que todo motor a combust o funcione necess rio ter propor es de mistura correta entre o combust vel e o ar atmosf rico caso contr rio o excesso de combust vel dificulta a propaga o
108. m como gerar relat rios no intervalo de 100 ms e apag los a qualquer momento 107 Laborat rio de Energias Alternativas Universidade Federal do Cear Biog s Motor e Gerad DI Frequ ncia Rota o 3700 00 RPM Tens o Corrente Gr fico Frequ ncia Figura 4 28 Tela do motor e gerador Laborat rio de Energias Alternativas Universidade Federal do Cear frequencia Frequ ncia ta at ERR i E 1 58 23 02 00 23 02 02 23 02 04 23 02 06 23 02 08 23 02 10 23 02 Figura 4 29 Tela de relat rio de frequ ncia e Tela 05 Tela de Press o Vaz o A tela press o vaz o Figura 4 30 permite o usu rio acessar outras te las do sistema de monitoramento da planta de biog s al m de permitir o monitoramento das vari veis de press o montante e jusante mbar vaz o de biog s m h monitoramento e controle do percentual de abertura da v lvula de controle de vaz o e Tela 06 Tela de vaz o de biogas A tela de vaz o de g s Figura 4 31 permite o usu rio acessar outras 108 Laborat rio de Energias Alternativas Universidade Federal do Cear Controle vaz o Press o e Vaz o de G s 923 m min Jusante acao Figura 4 30 Tela de press o vaz o telas al m de permitir o monitoramento instant neo das vari veis de vaz o de biog s m h monitoramento do consumo total de biog s m controle do percentual de abertura da v lvu
109. matriz energ tica brasileira foi de 13 9 Figura 2 6 Produtos da Cana de a car 18 1 Petr leo e Derivados 37 8 Biomassa 13 9 G s Natural 8 7 Energia Hidr ulica e Eletricidade un 15 3 Ur nio U 0s e Carv o Mineral e Derivados Derivados 4 1 4 4 8 Nota Inclui lenha carv o vegetale outras Figura 2 6 Perfil da matriz energ tica brasileira em 2009 61 A quantidade estimada de biomassa existente na Terra da ordem de 1 8 trilh o de toneladas Este volume quando confrontado com o grau de efici ncia das usinas em opera o no mundo no ano de 2005 aponta para uma capacidade de gera o de 11 mil TWh por ano no longo prazo ou mais da metade do total de energia el trica produzida em 2007 que foi de 19 89 mil TWh segundo o estudo da Estatistical Review of World Energy publicado em junho de 2008 pela BP Global Beyhond Petroleum nova denomina o da British Petroleum 42 2 1 4 2 Perspectivas para o Uso de Biodigestores Com a divulga o do Plano Nacional de Energia 2030 pode se ter um referencial da produ o e consumo para os pr ximos anos O Plano conclui que em 2005 as energias denominadas como outras que incluem os res duos agr colas industriais e urbanos representaram 2 do consumo energ tico do pa s sendo que em 2030 representar o 3 o consumo energ tico do setor agropecu rio que em 2005 representou 5 do total do pa s ir ter a mesma representativid
110. mbina o e continua o de dife rentes normas internacionais TEC 50 IEC 559 TEC 617 12 TEC 617 13 IEC 848 ISO AFNOR ISO TEC 646 ISO 8601 7185 ISO 7498 Estas incluem regras sobre o c digo de caracteres utilizado a defini o da nomen clatura utilizada ou a estrutura das representa es gr ficas 83 A norma TEC 61131 j est no mercado desde 1992 quando suas primeiras partes foram publicadas Sua ado o pelos diversos fabricantes de sistemas de con trole uma realidade ineg vel principalmente da parte 3 a mais conhecida Entretanto as diversas implementa es da norma possuem diferen as que n o comprometem seus principais benef cios mas dificultam o entendimento por parte dos usu rios Com o objetivo de padronizar a linguagem na descri o dos sitemas au tomatizados a norma TEC 61131 3 estabelecida pelo International Electro technical Commission TEC instituiu uma nomeclatura internacional para sistemas autom ticos Essa norma divide um sistema automatizado em duas partes distintas e Parte Operativa OP corresponde ao processo f sico a automatizar que opera sobre a mat ria prima e o produto constituida pelos atua dores que realizam as opera es agindo sobre componentes e disposi tivos de automa o tais como v lvulas atuadores motores l mpadas etc e Parte Comando PC caracteriza se por receber as informa es vin das do operador e ou do processo a ser controlado
111. medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a sa da do sistema em um valor desejado A realimenta o a caracter s tica do sistema de malha fechada que permite a sa da ser comparada com a entrada Geralmente a realimenta o produzida num sistema quando existe uma sequ ncia fechada de rela es de causa e efeito entre vari veis do sistema Quando a realimenta o se processa no sentido de eliminar a defa sagem entre o valor desejado e o valor do processo esta recebe o nome de realimenta o negativa 65 classifica os m todos de controle de processos em malha fechada em dois tipos Feedback e Feedforward 3 1 1 1 Malha de Controle Feedback O controle Feedback apareceu pela primeira vez em 1774 com o desenvol vimento do regulador centr fugo para o controle de velocidade das m quinas vapor A forma tradicional de controlar um processo medir atrav s de sen sores a vari vel que est a ser controlada comparar o seu valor com o valor desejado conhecido como setpoint ou refer ncia realimentar o sistema com essas informa es gerando ou n o uma diferen a erro que ir alterar a va ri vel manipulada para induzir a vari vel controlada a voltar para o valor desejado A informa o assim realimentada da vari vel controlada para uma vari vel manipulada Na Figura 3 1 mostrado o diagrama de blocos de um sistema controlado pelo m todo Feedback A detec o de erros a det
112. mento o motor acelera lenta mente dependendo apenas do controlador PI para corrigir os par metros de acelera o Devido a caracteristica de tempo de resposta da v lvula utilizada 124 Frequ ncia Hz mM oO Q i i f i i Ed 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 24050 Tempo seg Figura 5 17 Curva de frequ ncia do controlador PI com biog s na pesquisa Tabela 4 2 a a o de corre o se deu ap s 140 segundos da partida Devida a caracter stica de resposta lenta da v lvula proporcional n o foi poss vel comprovar a efici ncia do sistema proposto pois conforme o ensaio ap s 158 segundos o motor entrou em regime de acelera o m xima sendo necess rio deslig lo ap s atingir a frequ ncia superior a 70 Hz Cap tulo 6 Conclus es Esta disserta o descreveu o estudo de viabilidade do controle de vaz o de biog s com baixa press o para produ o descentralizada de eletricidade A an lise da composi o do biog s produzido no Laborat rio de Ener gias Alternativas apresentou valores ideais para o perfeito funcionamento do conjunto motor gerador com 59 de CH 31 de CO2 No e 3 de Os Os resultados de medi o de vaz o com o conjunto motor gerador em regime de funcionamento com carga mostrou que o consumo de biog s para o conjunto motor gerador 4 KW foi aproximadamente 3 m h O resultado mostrou que o funcionamento do conjunto motor
113. mpresa esta escolha se torna muito mais importante A menos de cinco anos os principais fornecedores de softwares de supervis o eram empresas como o caso da Wonderware Iconics Intellution No ano de 1998 alguns fabricantes de Hardware entraram no mercado como o caso da G E Fanuc Allen Bradley Siemens Algumas empresas de consultoria e revistas como a Control Engineering e a Intech dividem os softwares de supervis o em dois grupos e MMI Man Machine Interface Os softwares que t m a finalidade de servir como uma Interface Homem M quina ou seja estes softwares n o t m a finalidade de controlar nenhuma parte da m quina ou processo ou seja se ocorrer qualquer problema du rante a sua execu o n o prejudicar a automa o da m quina ou processo Normalmente estes softwares apresentam facilidades de configura o mas normalmente est o limitados em seguran a de dados comunica o em rede comunica o remota controles de processo Os softwares Intouch RS View 32 Cimplicity Elipse MMI e Unisoft fazem parte deste tipo e SCADAS Supervisory Control and Aquisition Data System As vers es de softwares que possuem as mesmas fun es dos softwares MMI mas podem efetuar controle distribuir informa es entres esta es via rede com performance e seguran a Estes softwares normalmente s o mais robustos e confi veis para aplica es de grande porte e para aplica es dis tribu das em varias esta e
114. nda de regi es distantes dos grandes cen tros como as comunidades isoladas da Regi o Norte a rela o custo benef cio torna se desvantajosa devido ao transporte da energia Com este cen rio a gera o descentralizada torna se uma alternativa O sistema de transmiss o de energia el trica brasileiro dividido em 2 sub sistemas o interligado e o isolado O sistema interligado tem uma capacidade instalada de 109 343 MW e eminentemente h drico formado principalmente por grandes centrais hidrel tricas e mais recentemente por centrais t rmicas g s que atendem a grande maioria do territ rio nacional correspondendo a 98 do mercado consumidor O sistema importa energia el trica princi palmente do Paraguai que o detentor da metade da capacidade de Itaip em torno de 8 170 MW e conta com 84 494 km de linha de transmiss o O sistema isolado que abrange a regi o da Amaz nia legal composto por v rios sistemas de gera o transmiss o e de distribui o n o conectados entre si atendendo os principais centros consumidores com grandes e pequenas unidades de gera o diesel ou a leo combust veis Corresponde a 2 do mercado nacional tem uma pot ncia instalada de 2 953 MW com 2 608 km de linhas de transmiss o e importa 200 MW da Venezuela 21 Na Figura 1 1 mostrado o mapa de integra o eletroenerg tica do Brasil 22 Do ponto de vista econ mico as comunidades isoladas se caracterizam p
115. ndia eletrificar vilarejos remanescentes e todas as casas at 2012 O foco deste programa principalmente a implanta o do projeto de gaseifica o de biomassa de energia e de projetos de micro hidrel tricas 19 e Fran a Embora n o seja um dos maiores produtores de energia el trica com a utiliza o de energias renov veis apresenta 4 5 GW de energia e lica insta lados e apresenta metas relevantes para a participa o das fontes renov veis em sua matriz de energia el trica em 10 at 2020 e consumo total de biocombust veis tamb m em 10 at 2020 17 e Portugal A Resolu o do Conselho de Ministros n 54 2010 estabelece que Por tugal deve assegurar a posi o entre os cinco l deres europeus ao n vel dos objetivos em mat ria de energias renov veis em 2020 Foi aprovada a Re solu o do Conselho de Ministros n 29 2010 de 15 de Abril que aprova a Estrat gia Nacional para a Energia 2020 ENE 2020 A ENE 2020 tem como principais objetivos reduzir a depend ncia energ tica do Pa s garan tir o cumprimento dos compromissos assumidos por Portugal no contexto 10 das pol ticas europ ias de combate s altera es clim ticas reduzir em 25 o saldo importador energ tico com a energia produzida a partir de fontes renov veis A presente resolu o determina um conjunto de medidas que visam criar um enquadramento para a atividade de miniprodu o descentralizada de energia de modo que
116. nemia infecciosa dos equinos carb nculo hem tico e v rias formas de tripassonomoses 2 1 1 Biomassa A Biomassa um material constitu do por subst ncias de origem org nica Tais como res duos florestais e agr colas res duos animais e a mat ria org nica contida nos res duos industriais dom sticos municipais etc Estes materiais cont m energia qu mica provinda da transforma o energ tica da radia o solar Essa energia qu mica pode ser liberada diretamente por com bust o ou convertida atrav s de algum processo em outras fontes energ ticas mais adequadas para um fim qualquer desejado tal como biog s lcool e o carv o vegetal Aproveitando aproximadamente 1 do total da radia o solar incidente sobre a terra Em uma pesquisa 42 estimou em 1985 que anualmente sejam produzidas pelo processo de fotoss ntese cerca de 61 mil GWh ou seja mais que 10 vezes a energia global consumida por ano no pla neta O total de energia existente na cobertura vegetal da Terra incluindo se as florestas tropicais e temperadas as savanas e campos estimado como sendo cerca de 100 vezes o consumo mundial de energia ao longo de um ano Naturalmente s uma parte desta quantidade pode ser utilizada para atender s necessidades humanas por m estes n meros servem para dar uma id ia da import ncia que tem o potencial energ tico da biomassa 43 A energia oriunda da biomassa pode ser classificada de diversas manei
117. nesota Pearson Prentice Hall 2011 800 p ISBN 8587918230 137 65 LUYBEN W L Process modeling simulation and control for chemical engineers 2 ed Pennsylvania McGRAW HILL 1996 749 p ISBN 0070391599 66 DUNN W Introduction to instrumentation sensors and process control 1 ed Norwood MA Artech House Inc 2006 354 p ISBN 1 58053 011 7 67 MACHADO L Engenharia de Controle Moderno UFSC Florian polis 2004 68 WILLIS M Proportional Integral Derivative Control 2 ed Departament of Chemical and Process Engineering University of Newcastle Newcastle 1999 69 INSTRUMENTS N Controle PID National Instruments Dispon vel em lt http digital nicom worldwide brazil nsf web gt Acesso em Fev 2010 70 DESOBOROUGH L MILLER R Increasing Customer Value of Industrial Control Performance Monitoring Honeywell Experience 6th International Conference on Chemical Process Control AIChE Symp Serie 326 New York 2002 71 ASTROM K J HAGLLUND T PID controllers theory design and tuning 2 ed S 1 Lund Institute of Technology Isa 1994 343 p ISBN 1556175167 72 TAKATSU H ITOH T Future needs for control theory in industry Report of the control technology survey in japanese industry IEEE Transaction on Control Systems Technology v 7 n 3 p 298 305 May 1999 73 FRANKLIN G POWELL J D Feedback Control of Dynamic Systems 4 ed S 1 Prentice Hall 2002 910 p ISBN 0
118. nho na presen a de dificuldades encontradas na pr tica ru dos incertezas de modelagem varia es param tricas 1 5 Estrutura da Disserta o A presente disserta o apresenta a implementa o do sistema de aquisi o de dados controle e monitoramento assim como o estudo experimental das estrat gias de modelagem identifica o e controle PID aplicadas ao controle de vaz o da planta de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas da Universidade Federal do Cear A Disserta o est organizado de acordo com os seguintes cap tulos al m desta introdu o que aborda os aspectos gerais sobre os sistemas centrali zados e descentralizados de energia biomassa motiva o os objetivos e a metodologia aplicada no desenvolvimento deste trabalho no cap tulo 2 feito um panorama sobre os tipos e as aplica es dos biodigestores no cap tulo 3 abordada a teoria de controle t cnicas utilizadas na identifica o de sistemas as configura es de algoritmos de controle PID e os principais sistemas de supervis o No cap tulo 4 s o descritas as etapas de instala o do biodigestor o desenvolvimento das telas do sistema de supervis o simu la es ensaios de controle e automa o realizados na planta de produ o de biog s do Laborat rio de Energias Alternativas LEA com a an lise do comportamento dos controladores e o melhor ajuste de controle da vaz o de 21 biog s com baixa press o par
119. nta de produ o de biog s foram desenvolvidas telas de interface do usu rio com O processo Foi utilizado o software Elipse SCADA devido a grande versatilidade recursos gr ficos e rotinas que permitem agilizar a tarefa de desenvolvimento da aplica o A vers o Elipse Pro foi escolhida para realizar o monitora mento da planta pois permite que o fluxo de dados possa ser feito em tempo real com a planta de biog s Al m das aplica es inseridas no monitoramento da planta de biog s mo nitora o de vari veis em tempo real gr ficos e objetos que est o relacionados 105 com as vari veis f sicas de campo foram criados bancos de dados para ar mazenar os dados das vari veis de frequ ncia press o e vaz o Na Figura 4 25 mostrado o sistema de monitoramento da planta de biog s que possui as principais telas LABORAT RIO DE ENERGIAS ALTENAT Figura 4 25 Sistema de monitoramento da planta de biog s e Tela 01 Tela de Abertura Identifica o do Usu rio A tela de abertura identifica o Figura 4 26 tem a fun o de permitir somente aos pesquisadores do LEA o acesso aplica o de supervis o da planta usu rio Cada usu rio possui um n vel de acesso O usu rio com n vel 1 considerado superusu rio Este quando logado pode criar modificar e remover os atributos de todos os usu rios Para que n o ocorram interrup es indesejadas da aplica o foi inserido uma senha c
120. o 61 ou a velocidade de um fluido sobre um objeto em rela o velocidade do som no fluido Bernoulli desenvolveu o seu princ pio de observa es sobre os liqui dos e sua equa o aplic vel somente aos fluidos incompress veis conforme a Equa o 3 9 1 1 P 5pVi pala Po spVy pgho cte 3 9 Assumindo que os pontos de medi o estejam em uma tubula o hori zontal ou ainda que as mudan as na altura acima de um plano de refer ncia s o insignificantes pode se desperezar as alturas h e hg Existem in me ras equa es cada uma adaptada a um aplicativo espec fico mas todas s o an logas equa o de Bernoulli Em velocidades muito baixas talvez at 1 3 da velocidade do som no l quido poss vel usar os princ pios funda mentais da f sica para desenvolver equa es semelhantes aplic vel aos fluidos compress veis A equa o da continuidade estabelece que se a taxa de fluxo global de um sistema n o est mudando com o tempo ent o a taxa de fluxo em qualquer parte do sistema constante Uma forma adequada para uso em din mica de fluidos compress veis pode ser dada pela Equa o 3 10 A Q AV AV gt V o 3 10 2 Dividindo a Equa o 3 9 por p poss vel determinar a velocidade do fluido na tubula o em fun o da press o diferencial do g s gerada a montante e jusante da v lvula de controle e a densidade do g s conforme a Equa o 3 11 2AP Ve V
121. o OFF Trata se de um controle relativamente simples e barato sendo extensivamente utili zado tanto em sistemas de controles industriais como dom sticos O controle on off evidentemente n o consegue manter a vari vel em um setpoint O comportamento da vari vel controlada equivale a uma oscila o pr ximo aos valores equivalentes aos comandos on e off do controlador A fun o do controlador receber o sinal da vari vel controlada e compar la com o sinal do valor de refer ncia para produzir o sinal de controle u t de modo a fazer com que a sa da y t seja cada vez mais pr xima do valor desejado Portanto a entrada do controlador o sinal e t refer ncia r t vari vel controlada y t Os v rios tipos de controladores em feedback diferem no modo que eles relacionam a sa da y t com a refer ncia r t O si nal de sa da de um controlador feedback ON OFF depende de sua constru o e seu sinal atuante pode ser um sinal pneum tico ar comprimido para controladores pneum ticos ou um sinal el trico para controladores el tricos 50 3 2 Identifica o de Sistemas A identifica o de sistemas uma rea que estuda t cnicas alternativas de modelagem matem tica de sistemas A modelagem matem tica rea do conhecimento que estuda maneiras de desenvolver e implementar modelos matem ticos de sistemas reais A identifica o de sistemas um dos pro blemas b sicos em teoria de controle
122. o de reten o hidra lica de 40 dias e cargas org ncias de 3 4 kg de s lidos totais por m Nos Estados Unidos o sistema foi intensamente estudado por pesquisadores da Universidade de Cornell liderados por William Jewell 51 Segundo 52 os biodigestores tubulares s o cil ndricos constru dos abaixo do n vel do solo e operam com tempos de reten o de mais de 15 dias Nos Estados Unidos admite se o uso deste tipo de digestores apenas para dejetos de bovinocultura de leite operando com teores de s lidos entre 11 e 13 Segundo 53 no Brasil na regi o oeste do Paran os biodigestores tubu lares passaram a ser utilizados no in cio da d cada de 80 e foram adaptados s condi es locais por Johann Reichl Ap s anos de experimenta o pr tica com este modelo foram incorporadas uma s rie de inova es para aumentar sua efici ncia Ainda 53 cita como vantagens do biodigestor tubular tipo Reichl tamb m conhecido como biodigestor solar de manta pl stica o baixo custo de implanta o a utiliza o eficiente da energia solar captada pela manta pl stica negra e incorporada na biomassa pelo agitador cin tico Atualmente biodigestores que utilizam a lona de PVC como gas metro s o os mais usados para o processamento de dejetos de su nos Produtores de su nos do Paran se associaram para em conjunto aplicar a tecnologia de produ o de biog s e biofertilizante buscando auto sufici ncia energ tica
123. o motor gerador em 20 minutos de funcionamento consome aproximadamente 1 m de biog s 115 5 1 3 Din mica de Partida do Conjunto Motor Gerador Foram utilizados o Programa Matlab Simulink e os dados coletados no sistema de aquisi o para identificar a din mica de partida do conjunto mo tor gerador Na Figura 5 7 apresenta a curva de resposta do sistema ao ser dada a partida a frio do conjunto motor gerador sem aplica o de carga Partida Motor Gerador frio 70 T Boi EER E a SATE e pres vinene IE Peerererreesness ENE ENS E ERE e nice ic pa on Maine sc sos AG EN canteens Peteere NTA AEE EPEAT OTIA Frequ ncia Hz Ai ERRA De OE SETEN heeren dr DO Essas essei TEA RACER ias EEA E NTE 0 10 20 30 40 50 Tempo seg Figura 5 7 Curva de frequ ncia sem a aplica o da carga Percebe se que a partida do conjunto motor gerador tem um comporta mento de sistema amortecido sem erro permanente Embora essa partida n o se configure em um ensaio com carga um par metro de resposta da a o do controlador centr fugo onde se observa que o mesmo estabiliza a frequ ncia do motor pr ximo a 60 Hz em 13 2 segundos Na Tabela 5 1 mostrada o comportamento da partida do conjunto mo tor gerador sem cargas A partida a frio do conjunto motor gerador sem carga apresentou amplitude m xima de 13 Hz 5 1 4 Controlador Centr fugo com Gasolina Inicialmente o conjunto motor
124. o programa foi no vamente prorrogado agora para ser finalizado em 2011 para possibilitar que as obras contratadas at outubro de 2010 sejam realizadas 9 Nos estados da Bahia Par Maranh o e Minas Gerais foram feitas mais de 1 milh o de liga es el tricas sendo o estado baiano o que apresentou o maior n mero de pessoas atendidas 2 13 milh es Do total de R 14 3 bilh es para o programa foram liberados R 9 2 bilh es 9 O mapa da exclus o el trica no pa s em 2010 revela que as fam lias sem acesso energia est o majoritariamente nas localidades de menor Indice de Desenvolvimento Humano e nas fam lias de baixa renda Cerca de 90 destas fam lias t m renda inferior a tr s sal rios m nimos e 80 est o no meio rural 9 1 1 1 Sistemas Centralizados de Gera o El trica no Bra sil As empresas de distribui o de energia el trica foram estruturadas sob a forma de monop lios e passaram a ser reguladas com o objetivo de se evi tar explora o monopolista dos consumidores resguardando contudo uma remunera o adequada para os investidores 10 At 1999 o Brasil possu a v rios sistemas el tricos desconectados o que impossibilitava uma opera o eficiente das bacias hidrogr ficas regionais e da transmiss o de energia el trica entre as principais usinas geradoras por outro lado existia uma concentra o de demanda em localidades industrializadas distantes das centrais de gera o
125. og s fazendo com que o produtor agregue valor a seus produtos agr colas 1 2 Motiva o 1 2 1 Redu o da Polui o Ambiental A produ o de energias renov veis e efici ncia energ tica s o hoje reconhe cidas como reas de pesquisas mais discutidas no meio acad mico Os esfor os cient ficos e desenvolvimento tecnol gico nos ltimos 20 anos desencadeiam a es direcionadas necessidade de pr ticas sustent veis de aproveitamento da natureza e a consequente redu o sens vel no custo da energia final obtida a partir destas fontes De acordo com 27 v rios estudos t m demonstrado que gerenciar a polui o urbana e industrial concentrando se no tratamento end of pipe ou seja utilizando se de m todos corretivos em muitos dos casos n o s cus toso como tamb m insustent vel Experi ncias dos Estados Unidos e outros pa ses desenvolvidos t m demonstrado que a longo prazo a preven o da polui o atrav s da minimiza o de res duos e de uma produ o de energia com tecnologias mais limpas e eficientes mais sensata tanto na rela o custo benef cio como tamb m para o pr prio meio ambiente se comparando com as t cnicas tradicionais O aproveitamento energ tico do biog s reduz a emiss o de metano para a atmosfera contribuindo para a redu o do efeito estufa De acordo com estimativa da EPA United States Environmental Protection Agency O g s metano C H respons vel por 23
126. os o que inviabiliza a comunic o de maneira confi vel em dist ncias superiores a 10 ou 15 metros Outra limita o que o padr o RS232 foi desenvolvido para ser uma comunica o ponto a ponto n o permitindo que mais de dois dispositivos usem a mesma linha de dados O padr o RS422 uma evolu o do padr o RS232 e tem como principal novidade a implementa o de linhas de transmiss o balanceadas o que torna a comunica o extremamente imune a ru dos permitindo o envio de infor ma es dist ncias de at 1200 metros de maneira extremamente confi vel O padr o RS422 mais utilizado em comunica es ponto a ponto embora seja poss vel utilizar o mesmo em pequenas redes Para opera o em rede o n mero m ximo de dispositivos que podem ser conectados limitado pois cada circuito de sa da RS422 pode ser ligado no m ximo a 10 entradas Tam bem n o poss vel a utiliza o de um nico par de fios para operar como barramento ou seja os dados s o transmitidos por uma linha e recebidos por outra O principal uso do padr o RS422 para estender a comunica o RS232 a grandes dist ncias de maneira transparente ao usu rio sem a necessidade de alterar programa o e protocolos O meio RS485 uma evolu o do padr o RS422 tendo como principal en foque a comunica o em rede ou seja com apenas um par de fios poss vel se comunicar com diversos equipamentos em rede usando o mesmo barramento
127. ra TN2531 Tens o de opera o 18 32 VDC Sa da 4 20 mA 0 10 V Range 40 C a 100 C Resist ncia press o 300 bar Tipo de prote o classe de prote o IP 67 III 94 4 5 2 Sensores de Press o O monitoramento da press o da planta de biog s realizado por dois sensores modelo PG2457 da ifm electronic Os sensores est o posicionados na montante e jusante da v lvula de controle proporcional Essa configura o permite medir a press o est tica quando a v lvula proporcional se encontra fechada e a press o diferencial quando aberta ou parcialmente aberta Na Figura 4 7 visto o sensor de press o PG2457 Figura 4 7 Sensor de press o PG2457 Na Tabela 4 4 s o descritas as caracteristicas do sensor de press o PG2457 Tabela 4 4 Caracter sticas do sensor de press o PG2457 Tens o de opera o 18 32 VDC Sa da 4 20 mA Faixa 0 05 a 1 bar Resist ncia a pressao 10 bar Tipo de prote o classe de prote o IP 67 IP 69K HI Resolucao 0 002 bar 95 4 5 3 Sensores de Vaz o O sensor utilizado para medi o de vaz o e consumo de biog s o modelo SD 5000 da ifm electronic A vaz o monitorada por um sistema de medi o calorim trica O princ pio de medi o do medidor de vaz o calorim trico O baseado na dispers o t rmica onde um primeiro sensor de temperatura aquecido internamente em alguns graus Celsius
128. ral e usinas nucleares o Reino Unido possui o melhor potencial de energia e lica da Europa O ainda baixo aproveitamento das renov veis n o se deveu falta de apoio pol tico e sim a esquemas de incentivo inadequa dos O primeiro deles aconteceu em 1989 quando o Electricity Act Lei da Eletricidade privatizou o setor el trico e ofereceu apoio gera o renov vel e tamb m gera o nuclear pela Non Fossil Fuel Obligation NFFO ou Obriga o de Combust veis N o F sseis Em 2007 foram instalados 427 MW e o Reino Unido tem uma capacidade instalada em energia e lica de 2 389 MW a nona maior do mundo A meta do governo para a energia renov vel uma participa o de 15 na matriz el trica em 2015 aumentando para 20 em 2020 18 e ndia Grande produtor de energia el trica atrav s de energia e lica 10 9 GW e tamb m em PCHs 2 5 GW Com rela o energia solar fotovoltaica FV o pa s apresenta metas ambiciosas de instalar 20 GW at 2022 17 A capacidade instalada da ndia de gera o de energia el trica foi de 123 901 MW em 31 de Janeiro de 2006 As fontes que contribuiram para essa gera o foi hidro t rmico nuclear e renov veis que correspondem a 26 0 66 4 2 7 e 4 9 respectivamente Considerando que cerca de 20 das 593 732 aldeias ainda est o para serem eletrificados apenas cerca de 44 0 das fam lias rurais t m acesso eletricidade fornecida A previs o do governo da
129. rasilia DF 2011 ISBN 978 85 87491 10 7 25 RODRIGUES A An lise da viabilidade de alternativas de suprimento descentralizado de energia el trica a comunidades rurais de baixa renda com base em seu perfil de demanda Rio de Janeiro 2006 103f Disserta o Mestrado Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ 26 MYKEN A Adding gas from biomass to the gas grid Final report European Commision Nov 2001 27 SANTOS A M Conserva o de Energia Efici ncia Energ tica de Instala es e Equipamentos 3 ed S 1 PROCEL 2001 596 p 133 28 SILVA C Limpeza e Purifica o de Biog s 2009 91f Disserta o Mestrado em Engenharia Universidade Tr s os Montes e Alto Douro Vila Real Portugal 29 JUCA A Eletrifica o rural de baixo custo norma t cnica e vontade pol tica 1998 190f Disserta o Mestrado Escola Polit cnica Universidade de S o Paulo S o Paulo 30 CARVALHO P C M COELHO L G J Sistemas fotovoltaicos para o programa luz para todos um estudo para o estado do Ceara I Congresso Brasileiro de Energia Solar Fortaleza 2007 31 ZAGO S Potencialidade de produ o de energia atrav s do biog s integrada melhoria ambiental em propriedades rurais com cria o intensiva de animais na regi o do meio oeste catarinense 2003 103f Disserta o Mestrado Universidade Regional de Blumenau Santa Catarina 32 KATRIANA T F et al Custo de gera o de ene
130. rde acelera o sendo portanto necess rio a interven o com uma maior abertura na v lvula de expans o provocando a amplitude m xima de oscila o de 37 Hz No intervalo de 48 a 73 segundos observado a recupera o da rota o do motor e ap s os 73 segundos o sistema estabiliza Tabela 5 3 Sistema controlador centr fugo com biog s com ajuste manual Intervalo de Tempo s Condi o de Funcionamento 0 5 Sistema Estabilizado 5 Transi o para Gasolina 5 73 Ajuste Manual 73 em diante Estabilidade do Sistema Ap s a estabiliza o do sistema atrav s do ajuste manual foram inseridas as cargas Na Figura 5 10 mostrada a resposta do sistema poss vel observar que o controlador efetua a a o de corre o da per turba o em 12 2 segundos Diferentemente do ensaio com alimenta o por gasolina a resposta do ensaio utilizando biog s provocou uma menor osci la o do sistema e amplitude m xima de 6 Hz na entrada da carga 2 5 Hz de amplitude m xima de sa da da carga por m com estabiliza o da planta com erro permanente de 5 Hz A Tabela 5 4 mostra o detalhamento do gr fico do controlador centrifugo com biog s com aplica o de cargas Tabela 5 4 Sistema com Aplica o das Cargas com biog s Intervalo de Tempo s Condi o de Funcionamento 0 28 75 Sistema Estabilizado com biog s 28 75 Perturba o Entrada das Cargas 2000 W 41 81 E
131. rgia el trica em comunidade isolada do amazonas estudo preliminar do projeto NERAM Revista Brasileira de Energia Sociedade Brasileira de Planejamento Energ tico Manaus 2006 33 BERNDES G Bioenergy and water the implications of large scale bioenergy production for water use and supply Department of Physical Resource Theory Chalmers University of Technology and Goteborg University Goteborg Sweden 2002 34 UNICA Cana de a ucar processadas pelas usinas brasileiras safra 2008 2009 para a regi o Norte Nordeste Uni o da Ind stria de Cana de a car Dispon vel em lt http www unica com br dadosCotacao estatistica gt Acesso em Mai 2011 35 IBGE Efetivo de animais em estabelecimentos agropecu rios por esp cie de efetivo Instituto Brasileiro de Geografia e Estat stica Dispon vel em lt http www sidra ibge gov br gt Acesso em Fev 2009 134 36 IBGE Lavoura Permanente 2009 Instituto Brasileiro de Geografia Dispon vel em lt http www ibge gov br estadosat gt Acesso em Mai 2009 37 SOUSA S Energia a partir do lixo no Cear Jornal Di rio do Nordeste Mat ria Publicada em 4 de Novembro Dispon vel em lt http www diariodonordeste globo com materia asp codigo 687039 gt Acesso em Fev 2010 38 NETO E et al Implementa o e avalia o de um biodiogestor de produ o descont nua e xacta v 3 n 2 2010 39 ZANETTE A L Potencial de aproveitamento energ tico
132. rios para re ceber sinais anal gicos de tens o ou corrente dos dispositivos de campo A tens o ou a corrente de entrada convertida para um c digo digital propor cional ao valor anal gico atrav s de um conversor anal gico digital A D Este c digo digital armazenado na mem ria imagem do controlador como um registro O valor anal gico geralmente expresso como um valor decimal BCD A resolu o das entradas anal gicas uma informa o importante T1 pois de acordo com o n mero de bits do conversor A D que se define a menor parcela que pode ser lida Ou seja uma entrada com um maior n mero de bits permitir uma melhor representa o da grandeza anal gica Os conversores A D normalmente s o de 10 ou 12 bits As faixas de valores de tens o e corrente para entradas anal gicas mais utilizadas na ind stria s o e 0 a 20 mA e 4 a 20 mA e 0 a 50 mA elas Vdc e 0a 10 Vdc e 10 a 10 Vdc 3 7 4 3 M dulo PID O m dulo de controle proporcional integral derivativo PID uma inter face utilizada no processo que requer aplica es de controle em malha fechada cont nua empregando o algoritmo PID Esses m dulos fornecem a es pro porcional integral e derivativa que controlam par metros das vari veis de entrada do sistema tais como press o nivel vaz o e temperatura O m dulo PID recebe a vari vel de processo em formato anal gico e calcula a diferen a de erro entre o valor re
133. rme a Figura 3 7 Se a planta n o possui integradores nem polos complexos conjugados dominantes ent o essa curva de resposta ao degrau unit rio pode ter um aspecto de um S como mostra a Figura 3 8 A Fun o de transfer ncia C s U s pode ser aproximada por um sistema de primeira ordem com atraso de transporte conforme a Equa o 3 8 C s K U s rs 1 3 8 A curva com o formato em S pode ser caracterizada por duas constantes o atraso L e a constante de tempo T O atraso e a constante de tempo s o determinados desenhando se uma linha tangente no ponto de inflex o da 58 i e u s c s Figura 3 7 Resposta ao degrau unit rio em malha aberta 64 curva com o formato S e determinando se a intersec o da linha tangente com o eixo dos tempos e a linha c t K como mostra a Figura 3 8 c s Linha Tangente no Ponto de Inflex o Figura 3 8 Curva de resposta em forma S 64 Ziegler e Nichols sugeriram escolher os valores de Kp K e Ka de acordo com a Tabela 3 1 Tabela 3 1 Sintonia de Ziegler e Nichols para degrau unit rio 64 Tipo de Controlador Kp T Ta P T L 00 0 PI 0 9T L L 0 3 0 PID L2T L 2L 0 5L No segundo m todo defini se primeiro T 00 e Ty 0 Utiliza se somente a a o proporcional conforme a Figura 3 9 aumenta se o valor de K de 59 0 ao valor cr tico Ker no qual a sa da exibe uma oscila o sustentada pela
134. ros rende 1 360 li tros de biog s que geram 0 4 kWh de energia S na regi o s o 3 mil su nos Chamado Programa de Gera o Distribu da com Saneamento Ambiental ele permite a utiliza o do material org nico resultante da cria o de su nos evitando o seu lan amento em rios e em reservat rios como o da usina hidre 43 l trica de Itaipu Os res duos s o transformados por meio de biodigestores em biog s combust vel usado na produ o de energia el trica Por decis o da Aneel a pot ncia instalada m xima dos empreendimentos inclu dos no programa t m 300 kVA quilovolt ampere que equivale a 270 quilowatts kW Esta pot ncia suficiente para abastecer 60 unidades consumidoras residenciais com consumo mensal m dio de 150 kW Segundo Airton Kunz a novidade que pode ajudar neste avan o a re gulamenta o da gera o distribu da a partir do biog s e sua comercializa o em todo o pa s realizada pela Ag ncia Nacional de Energia El trica Aneel em dezembro passado Pela Resolu o Normativa 390 63 qualquer dis tribuidora de energia el trica pode fazer chamadas p blicas para comprar eletricidade produzida por biodigestores que agora poder o fornecer para a linha de distribui o em vez de somente consumir Isso permitir que peque nos geradores de energia el trica tenham ganhos a partir do biog s abrindo oportunidades econ micas para o produto no meio rural Ainda tem se v
135. s Modelo indiano chin s e batelada 4 Encontro de Energia no Meio Rural Campinas Anais eletr nicos Disponvel em lt http www proceedings scielo br gt Acesso em jul 2011 49 IICA Fomento e Administra o de Programas Nacionais de Biogas Instituto Interamericano de Coopera o para a Agricultura Para ba Novembro 1981 50 SPERLING M Principios b sicos do tratamento de esgotos Departamento de Engenharia Sanit ria e Ambiental Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte Fevereiro 1996 211 p 51 GUNNERSON C et al Anaerobic digestion biogas systems principles of integrated use and their application in developing countries 2 ed Florida WISE D L International biosystems 1989 340 Pp 52 EPA The AgStar Biogas Handbook Environmental Protection Agency Dispon vel em lt http www epa gov agstar library hand book htm gt Acesso em Abr 2011 53 KUCZMAN O Efici ncia com custo reduzido os benef cios da fermenta o anaer bia Jornal da Coopavel Cascavel 2002 22 p 54 OLIVEIRA P HIGARASHI M Gera o e utiliza o de biog s em unidades de produ o de su nos Programa Nacional do Meio Ambiente IT EMBRAPA Conc rdia SC Fevereiro 2006 136 55 RECOLAST Biodigestor Recolast Ambiental Dispon vel em lt http www recolast com br meio ambiente biodigestor php gt Acesso em Mai 2011 56 EAB Enciclop dia agr cola brasileira 3 ed Bras lia
136. s No Brasil os principais produtos que possuem estas caracter sticas s o FactoryLink FIX Wizcon Genesis WinCC Citect e Elipse SCADA 82 3 8 1 Supervis rios SCADA Os primeiros sistemas SCADA basicamente telem tricos permitiam in formar periodicamente o estado corrente do processo industrial monitori zando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos atrav s de um painel de lampadas e indicadores sem que houvesse qualquer interface aplicacional com o operador Atualmente os sistemas SCADA utilizam tecnologias de computa o e comunica o para automatizar a monitoriza o e controle dos processos in dustriais efetuando a aquisi o de dados em ambientes complexos eventual mente dispersos geograficamente com apresenta o de telas de modo amig vel para o utilizador com recurso a interfaces Homem M quina Os sistemas SCADA melhoram a efici ncia do processo de monitoriza o e controle disponibilizando em tempo til o estado atual do sistema atrav s de um conjunto de previs es gr ficos e relat rios de modo a permitir a tomada de decis es operacionais apropriadas quer automaticamente quer por iniciativa do operador O Elipse Windows um software para a cria o de aplicativos de super vis o e controle de processos nas mais diversas reas Totalmente configur vel pelo usu rio permite monitorar vari veis de processo em tempo real atrav s de gr ficos e objetos que
137. s em 2020 deve ser aproximadamente de 756 x 109 MJ A Fran a seguida da Alemanha e Inglaterra s o os pa ses que ter o a maior produ o de biog s da Uni o Europ ia 58 Nos pa ses da Am rica Latina Argentina Peru Brasil Chile e M xico a implementa o de unidades de biog s est apenas come ando As constru es s o simples semelhantes s unidades produtoras da sia com um volume de 2 10 m 59 Artificialmente a produ o de biog s ocorre atrav s de um equipamento o biodigestor anaer bico O pr prio metano n o possui cheiro cor ou sa bor mas os outros gases apresentam odor desagrad vel O biog s uma fonte energ tica renov vel por essa raz o considerado um bicombust vel De acordo com 60 na Figura 2 5 apresentado o modelo simplificado do processo de obten o do biog s e adubo fertilizante com o esterco de animais Embora a digest o dos compostos org nicos possa ocorrer num ambiente aer bico com a presen a de oxig nio a digest o anaer bica sem oxig nio livre a que faculta uma boa produ o de biog s Nesses dois processos as bact rias atuantes necessitam para se desenvolver e exercer a importante a o metab lica As do meio aer bio retiram o oxig nio diretamento do ar enquanto as do meio anaer bio retiram da pr pria mat ria org nica Esta atua o bacteriana de grande import ncia para efici ncia da convers o 1 Excrementos anim
138. s contas externas o fornecimento de eletricidade ficou comprometido uma vez que n o foi possi vel realizar uma expans o necess ria do setor que acompanhasse a expans o da demanda por energia 2 e 3 Al m disso o aumento da intensidade de uso de energia el trica na ind stria brasileira em virtude do processo de moderniza o 3 e 4 e do uso residencial 5 que pode ser comparado em muitos aspectos com os padr es observados em pa ses desenvolvidos como ustria Dinamarca Alemanha Holanda e Estados Unidos 6 se tornou um problema dif cil de solucionar sem uma a o incisiva de planejamento de longo prazo e investimentos No in cio de 1995 o setor el trico brasileiro vivia uma situa o de quase fal ncia com obras paradas e falta de investimentos Nada menos que 56 obras em usinas geradoras tinham sido interrompidas em todo o Pa s O se tor el trico estava diante de uma grave crise com riscos de d ficit de energia crescentes que poderiam comprometer o pleno atendimento de mercado e consequentemente inviabilizar o desenvolvimento econ mico do Pa s Pre dominava a presen a do Estado nesse setor vital da economia As tarifas estavam fora da realidade Os recursos eram insuficientes para cobrir os cus tos e financiar a expans o e a melhoria da oferta de energia para as fam lias de consumidores e para as empresas O Governo Federal come ou ent o a fazer mudan as inadi veis naquela poca dentre elas
139. s empresas fora do setor industrial A maior parte da capacidade instalada composta por usinas hidrel tri cas que se distribuem em 12 diferentes bacias hidrogr ficas nas diferentes regi es do pa s de maior atratividade econ mica S o os casos das bacias dos rios Tocantins S o Francisco Parana ba Grande Paran Tiet Para napanema Igua u Uruguai e Jacu onde se concentram as maiores centrais hidrel tricas Pouco menos de 60 da capacidade hidrel trica instalada no Brasil est na Bacia do Rio Paran Outras bacias importantes s o a do S o Francisco e a do Tocantins com 16 e 12 respectivamente da capacidade insta lada no Pa s As bacias com menor pot ncia instalada s o as do Atl ntico Norte Nordeste e Amazonas que somam apenas 1 5 da capacidade ins talada no Brasil 15 que deve aumentar at 2019 a capacidade com a implanta o das hidrel tricas de Belo Monte PA Ferreira Gomes AP Santo Antonio AP Jirau RO Rondon II RO Santo Antonio RO Segundo 14 a opera o da primeira unidade da Usina Hidrel trica de Belo Monte que ser a terceira maior do mundo est prevista para Fevereiro de 2015 A capacidade total instalada da usina ser de 11 233 11 MW com garantia assegurada de 4 571 mil MW m dios A usina vai operar a fio d gua Isso significa que a gera o vai variar de acordo com a quantidade de gua do Rio Xingu a cada per odo do ano A UHE Belo Monte vai integrar o Sistem
140. s indus triais As aplicac es s o muitas indo desde aplica es simples como a medi o de vaz o de gua em esta es de tratamento e residencias at medi o de gases industriais e combust veis passando por medi es mais complexas Para 78 os controladores PI s o mais comuns no controle de vaz o pois eles eliminam o erro estacion rio e t m velocidades de resposta aceit veis na maioria dos ambientes industriais Segundo o mesmo autor deve se utilizar um ganho baixo banda proporcional PB 150 para reduzir o efeito dos sinais ruidosos fluxo de turbul ncia e tamb m para n o usar controle deri vativo Utiliza se tamb m um tempo de reset baixo aproximadamente 0 1 min repetic o para al ancar rapidamente o setpoint de monitoramento 3 6 1 Modelamento da Equa o de Bernoulli A forma simples do princ pio de Bernoulli v lida para os fluxos incom press veis como a maioria dos l quidos e tamb m para os fluxos compress veis gases onde o processo inteiramente isob rico ou isoc rico e que a transfe r ncia realizada em baixos n meros de Mach De acordo com 79 o fluxo incompress vel se Ma lt 0 3 ou compress vel se Ma gt 0 3 O ltimo regime ainda dividido em sub s nico Ma lt 1 tras nico 0 8 lt Ma lt 1 2 super s nico Ma gt 1 e hipers nico Ma gt 5 O n mero de Mach uma vari vel adimensional que representa a velocidade de um objeto atrav s de um l quid
141. s manuais oferecidos dessa forma as manuten es foram realizadas seguindo as orienta es enviadas por meio eletr nico e tele f nico 6 1 Trabalhos Futuros Com o objetivo de aperfei oar o controle de vaz o da planta de biog s do LEA s o sugeridas as seguintes propostas para trabalhos futuros Realizar o modelamento matem tico completo da planta de biog s assim como os melhores par metros para produ o de biog s no interior do biodigestor Utilizar outras configura es de PID no controle de vaz o da planta de biog s 128 Utilizar outros m todos e algoritmos de controle como por exemplo fuzzy Substituir o controlador centr fugo por outro atuador de acelera o do motor para que o controlador possa ajustar vaz o e acelera o do motor Complementar a supervis o em tempo real da planta e inserir o moni toramento remoto com a utiliza o da internet Utilizar a planta de biog s como parte de um sistema h brido Ap ndice A Projetos e Artigos Publicados e MOREIRA A Pet al Estima o controle e simula o do sistema de press o e vaz o de uma planta de biog s III Congresso Brasileiro de Energia Solar Bel m 2010 e MOREIRA A P et al Avalia o e potencial e lico utilizando esti madores de m nimos quadrados baseados na distribui o de Weibull VIII Latin american congress on electricity generation and transmission Ubatuba 2009 e MOREIRA A P
142. stabiliza o do Sistema com Cargas 2000 W 81 Sa da das Cargas 2000 W 91 em diante Estabiliza o do Sistema 119 Frequ ncia Hz o _ a SE 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Tempo seg Figura 5 10 Curva de frequ ncia do controlador centrifugo com biogas 5 1 6 Controlador Centrifugo e PI com Biogas 5 1 6 1 Defini o dos par metros PI O modelo matem tico do processo din mico foi estabelecido a partir de dados experimentais observados em laborat rio onde foi aplicado um degrau na vari vel manipulada frequ ncia do conjunto motor gerador e ap s essa a o foi analisada a resposta do sistema observando a vari vel controlada vaz o do biog s Os par metros do controlador PI foram estabelecidos atrav s da identifica o do sistema em malha aberta utilizando os estima dores de minimos quadrados MQ e minimos quadrados recursivos MQR Na Figura 5 11 pode ser observada a curva de resposta da vaz o quando modificada a frequ ncia de rota o do conjunto motor gerador atrav s de varia es de carga Atrav s do estimador de minimos quadrados MQ foram obtidos os pa r metros ap 1 2673 a 0 2808 bo 0 0074 e b 0 0073 A Figura 5 12 mostra a curva de vazao real e estimada quando aplicado o estimador MQR Os procedimentos do ensaio utilizando o algoritimo PI com biogas segui 120 uw 0BZ2A o q o 14 12 o 1 eee eres 0 f ADO
143. stercos animais varia de acordo com a esp cie e o estado fresco ou seco Uma maior concentra o de massa prejudica a a o bacteriana e a libera o do biog s uma pequena concentra o massa muito diluida em gua apresenta problemas de temperaturas baixas e diminui a a o bacteriana Conforme 56 a Tabela 2 1 mostrado os valores das propor es de gua na mat ria seca de alguns dejetos Tabela 2 1 Propor o de gua na mat ria seca para biodigestores 56 Dejetos Mat Seca Peso gua Biog s por m Mat seco Bovinos 16 50 100 270 m Suinos 19 00 130 560 m Equinos 24 29 193 260 m Ov nos 34 5 317 250 m Caprinos 34 80 321 285 m Aves 19 130 280 m Humanos 18 118 270 m Aguap 10 00 21 100 600 m O c lculo do volume do biodigestor pode ser determinado atrav s da quantidade de material org nico di rio dispon vel e do seu potencial gerador de biog s ou a partir da previs o do consumo di rio de biog s Cada material tem um potencial gerador no estado verde ou seco tendo se o conhecimento dos s lidos totais ST ou dos s lidos vol teis SV do material dispon vel 36 tamb m poss vel fazer uma previs o do g s gerado e do volume necess rio do biodigestor Alguns autores usam a taxa de Demanda Qu mica de Oxig nio DQO apresentada pelo material a ser utilizado Segundo 41 o volume do biodigestor calculado
144. sumo era de cerca de 112 500 MW 13 A hidroele tricidade historicamente predominante na matriz brasileira representava no final de 2009 71 da capacidade com 165 empreendimentos com pot ncia de 74 484 24 MW contra 73 em 2008 A queda foi superada pela expans o de todas as outras fontes com exce o da termonuclear que caiu de 1 96 para 1 89 As demais fontes de gera o termoel tricas tiveram a sua par ticipa o aumentada de 22 18 para 23 59 do total divididos entre 1 313 usinas com capacidade de 25 081 35 MW A gera o por pequenas centrais hidrel tricas PCH cuja capacidade instalada superior a 1 MW e inferior a 30 MW e centrais geradoras CGH que possui potencial hidr ulico igual ou inferior a 1 MW subiu de 2 54 para 2 94 em 2009 na compara o com o ano anterior enquanto a gera o e lica subiu de 0 33 para 0 57 14 O sistema centralizado implementado diretamente ap s a cria o da Ele trobr s n o era apenas considerado como o modelo mais eficiente em termos t cnicos e econ micos mas tamb m se ajustava ao modelo de crescimento im pulsionado pelo estado que prevaleceu no Brasil quando o pa s fez a transi o de uma economia agr cola de exporta o para uma economia industrializada O Brasil tamb m desenvolveu um sistema de subs dio de tarifas que visava baratear a energia el trica para as ind strias repassando o custo residual aos domic lios dos consumidores e a outra
145. ta de biog s do LEA de biog s do LEA a a ud ues x Figura 4 21 Abastecimento da caixa de entrada Tabela 4 6 C lculo do volume de carga 49 Esp cie Animal Esterco por Animal kg Rela o Esterco gua Caprino Ovino 0 5 1 4 Bovino T 1 1 Su no 4 1 1 3 Eus bio CE e transportado em ton is Figura 4 22 Os animais conforme a Figura 4 23 s o mantidos confinados e produzem aproximadamente 1 kg 103 de esterco por dia Os animais s o das ra as Saanen Alpina Francesa e Anglo Nubiana Devido disponibilidade compatibilidade de hor rio do criador dos capri nos aliada dificuldade de transporte dist ncia e m o de obra para trans portar o esterco foram colocadas bateladas de 1200 litros para preencher a carga do biodigestor Figura 4 23 Animais confinados da Capril Said O biog s um g s e quando misturado com o ar como todos os combusti veis gasosos torna se explosivo Seguindo a recomenda o do fabricante do biodigestor foi realizado o descarte da primeira produ o de biog s 104 Para a segunda carga foi inserido no biodigestor 1400 kg de substrato e ap s 20 dias de reten o hidr ulica foi produzido o biog s necess rio para os ensaios Figura 4 24 Figura 4 24 Biodigestor com biog s 4 7 Controle e Monitoramento da Planta de Biog s Para realizar o controle monitoramento e aquisi o de dados da pla
146. tema El trico Brasileiro adotado caracteriza se pelo aproveitamento do potencial hidrol gico que em combina o com as caracter sticas de relevo possibilitam a utiliza o de usinas hidrel tricas as quais s o hoje respons veis por cerca de 80 da pot ncia el trica disponibilizada ao pa s 11 Este tipo de produ o de energia el trica necessita de grandes investimentos com enormes instala es e longas linhas interligadas de distribui o que em mui tos pa ses opera com o regime de monop lio resultante da necessidade de expandir a rede el trica ao maior n mero de clientes poss vel Atrav s dos dados publicado no Balan o Energ tico Nacional BEN de 2009 do Minist rio de Minas e Energia pode se concluir que tanto a oferta quanto a demanda de energia el trica cresceu nos ltimos anos por m a demanda esteve bem pr xima da oferta Em 2008 a diferen a entre a oferta e a demanda foi apenas 13 6 Isto significa que o Brasil n o tinha grande excedente de energia el trica sendo portanto necess rio diversificar a matriz energ tica al m de descentralizar e incentivar a gera o de energia el trica atrav s de fontes alternativas no Pa s 1 1 2 Fontes Alternativas e Sistemas Descentralizados 1 1 2 1 Panorama Internacional O fornecimento de energia el trica em comunidades rurais isoladas e reas remotas tem sido um constante desafio principalmente nos pa ses subdesen volvidos ou em desenvolvimen
147. terface de rede receptora aceita a transmiss o e passa as informa es para a UCP e se necess rio envia uma comando para o dispositivo de campo pretendido Dependendo do tipo e configura o da rede um m dulo de rede pode ser conectado a uma dist ncia de at 3048 m com 100 a 1000 dispositivos N s Na Figura 3 15 pode ser visto uma rede de comunica o Independentemente do tipo de perif rico e rede utilizada deve se conectar os dispositivos ao CLP atrav s de um meio f sico Para que a comunica o entre o CLP e o PC se concretize necess rio que dois aspectos sejam observados quanto ao hardware e software quando se fala em hardware de comunica o normalmente as UCP possuem pelo menos uma porta serial que pode ser conectada a dispositivos externos A quantidade pode variar de acordo com o modelo e o fabricante dos CLP s 84 74 Interface Rede de rede CANbus Rede p Fieldbus Interface Rede de rede sa 4 CANbus Rede Fieldbus Dispositivos de campo Figura 3 15 Rede de comunica o 83 Para tornar equipamentos diferentes compat veis entre si v rios padr es de n vel f sico foram desenvolvidos Os mais usuais s o RS 232 RS 422 e RS 485 RS uma abrevia o de Recommended Standard que relata a pa droniza o de uma interface comum para comunica o de dados entre equi pamentos criados pela Eletronic Industries Association EIA Os padr es RS 232 RS 422 e RS
148. to devido s enormes disparidades econ micas e sociais e muitas vezes s dimens es geogr ficas desses pa ses H algum tempo os sistemas de suprimento de energia alternativa descentralizados utilizando recursos renov veis t m sido empregados no atendimento a co munidades mais isoladas V rios tipos desses sistemas t m sido estudados mostrando se economicamente vi veis em muitos pa ses e Estados Unidos Segundo pa s que mais investiu em energias renov veis em 2009 US 18 6 bilh es possui a maior capacidade instalada total com 53 4 GW pro venientes de fontes renov veis dos quais 31 9 GW de energia e lica l der no consumo e produ o de etanol 47 bilh es de litros e apresenta meta de elevar tal n mero para 136 bilh es de litros at 2022 17 e Alemanha A Alemanha por exemplo provou como o uso das fontes renov veis pode ser til ao Estado popula o e ao meio ambiente O pa s respons vel por cerca de um ter o de toda a energia e lica instalada no mundo repre sentando metade da pot ncia gerada em toda a Europa O investimento em tecnologia tamb m permitiu aos germ nicos se destacarem na utiliza o de combust veis de origem vegetal biomassa Na ltima revis o da Lei de Re nov veis datada de 2004 as metas de participa o das renov veis na matriz alem foram revistas para 12 5 em 2010 e 20 em 2020 O pa s o atual l der mundial em termos de capacidade instalada em energ
149. tor o sinal atuante 52 3 4 Algoritmo de Controle PID O algoritmo PID Proporcional Integral Derivativo o controlador Feed back mais popular utilizado na ind stria de processo um algoritmo robusto de f cil compreens o que pode fornecer um excelente controle de desempenho apesar das caracter sticas variadas din micas da planta de processo 68 Estima se que mais que 95 dos controles industriais s o baseados em algoritmos PID Apesar do algoritmo b sico ser o mesmo existem peque nas diferen as entre os controladores PID bem como diferentes hardware de execu o para implement los como os PACs programmable automation controllers PLCs programmable logic controllers conhecido no Brasil como CLP controlador l gico program vel e microcontroladores 69 Considerando o setor industrial dos pa ses desenvolvidos pesquisas reali zadas e apresentadas em artigos t cnicos e cient ficos t m demonstrado que mais de 90 dos controladores s o do tipo PID 70 O controlador PID de estrutura fixa ainda corresponde a uma das estruturas de controle mais utilizada a n vel industrial devido sua simplicidade de implementa o e capacidade de satisfazer a maioria dos requisitos de projeto 71 Entre tanto mesmo sendo uma estrat gia conhecida e dominada pelos engenheiros de controle aspectos de sintonia continuam sendo a n vel de engenharia e pesquisa um desafio 72 Os controladores PID s
150. tos Interrup es estas nem sempre bem vindas na produ o industrial como conseqii ncia ainda tornava se obrigat ria a atualiza o das listas de fia o como garantia de manter a documenta o do sistema Segundo a ABNT Associa o Brasileira de Normas T cnicas o CLP um equipamento eletr nico digital com hardware e software compat veis com aplica es industriais Para a Nema National Electrical Manufacturers Association um aparelho eletr nico digital que utiliza uma mem ria pro gram vel para o armazenamento interno de instru es para implementa es espec ficas tais como l gica sequenciamento temporiza o contagem e arit m tica para controlar atrav s de m dulos de entradas e sa das v rios tipos de m quinas ou processos 65 3 7 1 Estrutura do CLP Existem estruturas modulares onde a unidade central de processamento UCP e todos os m dulos de entrada e sa da se encontram no mesmo rack e compactas onde a UCP e todos os m dulos de entrada e sa da se encontram separados e v o sendo montadas nos slots em fun o da configura o exigida mas ambas tem o mesmo princ pio de funcionamento 82 Um CLP basicamente um pequeno computador dedicado em sua es trutura f sica encontra se Unidade Central de Processamento UCP Mem ria do tipo ROM para armazenamento do Firmware programa onde se encontram os principais c digos de opera o da m quina Mem ria RAM p
151. trole de velocidade de uma m quina a vapor Em 1922 Nicolas Minorsky trabalhou em controladores autom ticos para pilotar navios e mostrou como poderia determinar a sua estabilidade a partir da representa o do sistema 45 atrav s de equa es diferenciais Hoje se percebe a aplica o de controle em todos os aparelhos e equipa mentos que nos rodeia m quinas de lavar elevadores autom veis sat lites avi es aquecedor de ambiente e outros processos 40 Ultimamente o tema do controle tornou se importante no cotidiano ap s a incorpora o da computa o O controle de processo industrial foi origi nalmente feito manualmente pelos operadores Seus sensores foram o sentido da vis o tato e de som tornando o processo totalmente dependente do operador Para manter um processo dentro dos limites estabelecidos para a vari vel controlada o operador poderia ajustar um dispositivo de controle simples A instrumenta o e controle evolu ram lentamente ao longo dos anos a ind stria encontrou uma necessidade para melhorar suas linhas de produ o tornando as mais precisas e mais consistentes para medidas mais rigorosas alavancadas pela competitividade e abertura do livre com rcio O primeiro impulso real para desenvolver novos instrumentos e sistemas de con trole veio com a revolu o industrial e com a Primeira e Segunda Guerras Mundiais Os sistemas de controle de processo aplicados a grande parte da ind stria
152. tware pode ser executado em modo de demonstra o Ainda como m dulos adicionais existem mais duas ferramentas que po dem trabalhar em conjunto com qualquer dos produtos acima mencionados que s o o Elipse Watcher e Elipse Web O Elipse Watcher um Add on para a monitora o registro e trans miss o digital de imagens em tempo real possibilitando a visualiza o de imagens com tamanho e defini o program veis pelo usu rio al m de permi tir a cria o de banco de dados de imagens com busca por per odo ou evento e transmiss o de imagens em tempo real para esta es remotas via rede local ou linha discada J o Elipse Web trata se de um servidor de aplica es de supervis o para a Internet onde atrav s de um navegador como o Netscape ou Internet Explorer poss vel conectar se a uma esta o e receber enviar dados em tempo real 85 3 8 2 Estimadores de M nimos Quadrados Karl Friedrich Gauss formulou o principio dos m nimos quadrados MMQ ao final do s culo 18 para prever a trajet ria de planetas e cometas a partir das observa es realizadas Gauss estabeleceu que os par metros desconhe cidos de um modelo matem tico deveriam ser selecionados de modo que o valor mais prov vel das grandezas desconhecidas a que minimiza a soma dos quadrados da diferen a entre os valores atualmente observados e os valores 84 calculados multiplicados por n meros que medem o grau de precis o onde quanto
153. twork for the 21st Escola Superior Agr cola Luiz Queiroz National Electrical Manufacturers Association International Electrotechnical Commission Man Machine Interface Supervisory Control And Data Acquisition Mem ria Intermedi ria de Sa da Controlador L gico Program vel Industry Standard Architeture Proporcional Integral Derivativo XV Cap tulo 1 Introdu o 1 1 Contextualizacao A disponibilidade de energia el trica bastante desigual no mundo A grande maioria da popula o mundial vive em reas onde o atendimento prec rio Parte dela habita em reas isoladas onde o atendimento por meio da extens o da rede convencional imposs vel por motivos naturais como dist ncia dificuldade de acesso localiza o dentro de reservas ambientais reas insulares ou montanhosas clima rigoroso 1 O setor el trico nacional apresenta perfil bastante peculiar e distinto pois predominado pela gera o hidroel trica constitu da de usinas e reser vat rios de grande porte As usinas est o localizadas em diferentes bacias hidrogr ficas entretanto h uma forte interdepend ncia entre elas Em uma mesma bacia h usinas hidroel tricas de diferentes empresas Como o fluxo de gua vari vel e depende do n vel pluviom trico anual usinas t rmicas operam de forma complementar Com o aumento do consumo de energia aliado aos poucos investimentos realizados no setor por conta da situa o deficit ria da
154. ulica dentro do biodigestor devendo a mat ria org nica portanto ser dilu da e at mesmo triturada para evitar entupimentos e forma o de crostas no interior do bio digestor Entre os modelos de biodigestores rurais simplificados mais utilizados distinguem se os seguintes tipos principais biodigestor com camp nula flu tuante modelo indiano biodigestor com c pula fixa modelo chin s e bio digestor tubular solar 29 2 1 3 1 Modelo Indiano Este modelo de biodigestor caracteriza se por possuir uma camp nula como gas metro a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa em fer menta o ou em um selo d gua externo e uma parede central que divide o tanque de fermenta o em duas c maras A fun o da parede divis ria faz com que o material circule por todo o interior da c mara de fermenta o O modelo indiano possui press o de opera o constante ou seja medida que o volume de g s produzido n o consumido de imediato o gas metro tende a deslocar se verticalmente aumentando o volume deste portanto mantendo a press o no interior deste constante O fato de o gas metro estar disposto ou sobre o substrato ou sobre o selo d gua reduz as perdas durante o processo de produ o do g s O res duo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano dever apresentar uma concentra o de s lidos totais ST n o su perior a 8 para facilitar a circula o do res duo pelo interior da c mara
155. undo a norma de medi o adotada e tamb m em rela o aos pontos de tomada de press o diferencial sobre o medidor Pela norma ISO 5167 98 seu valor dado pela Equa o 3 19 e 1 0 351 0 25664 0 938 1 Gy 3 19 O fator de expans o representa as varia es de densidade devido ao fluido passar atrav s de uma contra o imposta pelo elemento prim rio 3 7 Controlador L gico Program vel O Controlador L gico program vel CLP um dispositivo que foi in ventado para substituir os circuitos sequenciais de rel s para controle de m quinas e ou processos Tais sistemas de controle apesar de funcionais apresentavam problemas de ordem pr tica bastante relevantes Como as ins tala es possu am uma grande quantidade de elementos a ocorr ncia de uma falha qualquer significava o comprometimento de v rias horas ou mesmo dias de trabalho de pesquisa e corre o do elemento faltoso Al m disto pelo fato dos rel s apresentarem dimens o f sica elevada os pain is ocupavam grande espa o o qual deveria ser protegida contra umidade das tempera tura gases inflam veis oxida es poeira etc Outro fator ainda comprome tedor das instala es a rel s era o fato de que como a programa o l gica do processo controlado era realizada por interconex o el trica com l gica fixas hardwired eventuais altera es na mesma exigiam interrup es no pro cesso produtivo a fim de se reconectarem os elemen
156. ura 4 4 O programa utilizado para a programa o do CLP foi o TwidoSuite vers o 2 20 10 que possui ambiente de desenvolvimento gr fico com recursos para criar progra mas com diferentes tipos de linguagem e de configura o da CPU e m dulos de expans o 4 4 Atuador Para realizar o controle de vaz o de biog s foi utilizada a v lvula de controle proporcional modelo TR24 SR T US da Belimo Figura 4 5 Na Tabela 4 2 s o descritas as especifica es t cnicas da v lvula proporcional de controle de vaz o Figura 4 5 V lvula proporcional de controle de vaz o Tabela 4 2 Caracter sticas da v lvula Modelo TR24 SR T US Controle Proporcional Tens o Nominal 24 VAC 50 60 Hz 24 VDC Pot ncia 0 5 W Impedancia de Entrada 100 kQ Angulo de Rota o 90 graus Sentido de Rota o Revers vel com Interruptor Acionamento Comando Manual e Autom tico Tempo de Execu o 90 segundos Conex o 1 2 93 4 5 Sensores O monitoramento da planta de biog s realizado por sensores de tempe ratura press o e vaz o 4 5 1 Sensor de Temperatura Foi utilizado para medir a temperatura do biog s na admiss o do motor o sensor modelo TN2531 da ifm electronic O sensor de temperatura TN2531 exibido na Figura 4 6 e na Tabela 4 3 s o descritas as caracteristicas do sensor Figura 4 6 Sensor de temperatura TN2531 Tabela 4 3 Caracter sticas do sensor de temperatu
157. ura e vazao 113 Curva de consumo m do motor gerador 114 Curva de frequ ncia sem a aplica o da carga 115 Curva de frequ ncia do controlador centr fugo com gasolina 116 Curva da frequ ncia com ajuste manual do biog s 117 Curva de frequ ncia do controlador centr fugo com biog s 119 Curva de resposta frequ ncia e vaz o o o oo aa 120 Curva da vaz o real e vaz o estimada pelo MQR 120 PID paralelo Matlab SimulinkP oaa aaa 121 Resposta do PID paralelo ao degrau 2 2 121 Parametriza o do bloco PID paralelo 2 2 122 Curva de frequ ncia dos controladores simult neos com biog s 122 Curva de frequ ncia do controlador PI com biog s 124 Lista de Abreviaturas LEA PCH CGH UNICA SINERGIA ST SV DQO IPqM CEAM ENE EPA UASB IICA REN21 ESALQ NEMA IEC MMI SCADA MIS CLP ISA PID Laborat rio de Energias Alternativas Pequenas Centrais Hidrel tricas Centrais Geradoras Hidrel tricas Uni o da Ind stria de Cana de A ucar Sindicato dos Eletricit rios S lidos Totais S lidos Vol teis Demanda Qu mica de Oxig nio Instituto de Pesquisas da Marinha do Brasil Companhia Energ tica do Amazonas Estrat gia Nacional para Energia United States Environmental Protection Agency Upflow Anaerobic Sludge Blanket Instituto Interamericano de Coopera o para a Agricultura Renewable Energy and Policy Ne
158. xecutiva ROM e PROM Armazena o sistema operacio nal o qual respons vel por todas as fun es operacionais do CLP e Mem ria do Sistema RAM Armazena resultados e ou informa es intermedi rios gerados pelo sistema operacional e Mem ria de Status RAM Armazena o estado dos sinais de entrada e sa da e Memoria de Dados RAM Armazenar dados referentes ao programa do usu rio e Mem ria do Usu rio RAM e EPROM Armazena o programa de con trole desenvolvido pelo usu rio 3 7 3 Linguagens de Programa o Desde o seu aparecimento at hoje muita coisa evolui nos controladores l gicos Esta evolu o est ligada diretamente ao desenvolvimento tecnol gico da inform tica em suas caracter sticas de software e de hardware O que no seu surgimento era executado com componentes discretos hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de ltima gera o usando t cni cas de processamento paralelo intelig ncia artificial redes de comunica o fieldbus At recentemente n o havia nenhuma padroniza o entre fabri cantes apesar da maioria utilizar as mesmas normas construtivas Por m pelo menos ao n vel de software aplicativo os controladores program veis 67 podem se tornar compat veis com a ado o da norma TEC 1131 3 que prev a padroniza o da linguagem de programa o e sua portabilidade 3 7 3 1 Norma IEC 61131 3 A norma IEC 61131 representa uma co

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