Décio Luiz Gazzoni

Óleo vegetal combustível


Décio Luiz Gazzoni - 01 mar 2011 - 09:04 - Última atualização em: 09 nov 2011 - 19:16

A biomassa (tanto animal quanto vegetal) é usada há milênios para produzir energia. Carboidratos, em especial de alto peso molecular (celulose, hemicelulose) e lignina, bem como lipídios (óleos e gorduras) estão entre as principais fontes de biomassa para geração de energia.

Neste ensaio, interessa-nos analisar de perto o uso de lipídios, inicialmente utilizados em tochas, lampiões e lamparinas, até os usos mais nobres e mais eficientes da era contemporânea. Os lipídios são substâncias que contém ácidos graxos em sua composição. Os ácidos graxos são cadeias carbônicas saturadas (todas as ligações entre os átomos de carbono são ligações químicas simples) ou insaturadas (existe pelo menos uma ligação dupla entre dois átomos de carbono).

Nos lipídios, os ácidos graxos estão ligados a uma molécula de glicerina, por isso são chamados quimicamente de triacilgliceróis. Quando um lipídio é hidrolisado, os seus componentes originais são liberados, quais sejam, o glicerol e os ácidos graxos a ele ligados. No caso da transesterificação, embora os ácidos graxos não sejam liberados, a molécula de glicerina (um triálcool) é separada dos ácidos graxos que compunham o lipídio, os quais se ligam a outro álcool (metanol ou etanol, por exemplo).

Os lipídios podem apresentar-se, à temperatura ambiente, como sólidos (gorduras) ou líquidos viscosos (óleos). Em geral, as gorduras apresentam altos teores de ácidos graxos saturados em sua composição, o que implica em alto ponto de fusão. Os óleos apresentam diferentes teores de ácidos graxos insaturados, sendo tanto mais baixo o ponto de fusão quanto maiores forem as insaturações e/ou os teores de ácidos graxos insaturados.

Não por acaso os lipídios são utilizados há muito tempo como fonte energética, pois, comparativamente à madeira e outros produtos lignocelulósicos, possuem densidade energética quase 150% superior. Portanto, a portabilidade e a armazenagem de uma mesma quantidade de energia potencial são efetuadas com muito mais facilidade. A liberação da energia química potencial dos lipídios ocorre através de uma reação exotérmica em que os átomos de carbono e de hidrogênio são oxidados, formando água e gás carbônico.

Das tochas para os motores
O que era feito milenarmente nas tochas ou lampiões foi mimicado nos motores de combustão interna, com a queima controlada dos lipídios e a busca da otimização do aproveitamento energético. Uma determinada quantidade de combustível (que pode ser um óleo vegetal puro ou transesterificado) é injetada na presença de certa porção de oxigênio sob altas temperatura e pressão, quando ocorre uma combustão espontânea do combustível. O valor de referência é a massa estequiométrica de oxigênio capaz de reagir com o combustível para, idealmente, promover a sua combustão completa. Ou seja, os cálculos da admissão do ar (que contém cerca de 21% de oxigênio) e da injeção de combustível são efetuados de maneira a que a reação química (combustão) de forma satisfatória.

No entanto, na prática todos sabemos que a teoria é outra e em condições operacionais normais não se obtém a combustão completa dos combustíveis. O balanço térmico de uma combustão é feito por meio da análise do calor liberado, da temperatura da combustão e da quantidade de calor perdido na exaustão. A partir destes cálculos, busca-se maximizar a energia química transformada em potência efetiva. Por exemplo, a combustão incompleta, representada pela presença de hidrocarbonetos, de monóxido de carbono ou particulados, pode ser reduzida aspirando-se uma quantidade de ar superior ao cálculo teórico. É uma solução economicamente viável, pois o ar em si não possui custo e permite que a combustão seja tão próxima da completa quanto possível.

Outro aspecto importante é a viscosidade do combustível. No caso do petrodiesel, os sistemas que compõem o conjunto do motor foram otimizados para que a combustão seja próxima àquela considerada plena ou total. Quando se utiliza outro combustível – por exemplo biodiesel ou óleo vegetal – de alguma maneira estamos alterando as condições de operação e algum grau de ineficiência pode ocorrer, especialmente a queima incompleta. Uma fórmula simples de contornar este problema é aquecer o combustível, fazendo com que sua viscosidade diminua, permitindo maior fluidez e queima mais perfeita.

Óleo vegetal em motores Diesel
O uso de óleos vegetais em motores de ciclo Diesel, sem a sua conversão em biodiesel, é muito controversa e possui tanto defensores quanto opositores aguerridos. O principal argumento favorável é o seu custo mais baixo, posto que dispensa o processo de transformação do óleo vegetal (ou gordura animal) em biodiesel, o que encarece o seu preço em estimados 20%, por conta do processamento industrial.

Por outro lado, argui-se que o óleo vegetal é muito mais viscoso que o diesel (uma das principais razões para a produção do biodiesel é aproximar sua viscosidade daquela do petrodiesel), o que conduz à maior pressurização das linhas de combustíveis, além de tornar a combustão mais incompleta, com formação de depósitos e de pontos quentes na câmara de combustão, polimerização e emissão de dioxina, entre outros aspectos. Neste ensaio, vou alinhavar os argumentos dos defensores do uso do óleo vegetal como combustível, seja puro ou em mistura com o petrodiesel.

O óleo vegetal refinado é utilizado como combustível na Europa, especialmente na Alemanha, desde a década de 1990, em veículos de transporte e em motores estacionários para geração de energia elétrica. No Brasil, o Inmetro e a FIAT estão desenvolvendo conjuntamente um sistema que permite operar motores Diesel com óleo vegetal sem transformá-lo em biodiesel.

Antevendo o eventual sucesso deste processo, o Inmetro firmou uma parceria com o National Institute of Standards and Technology (NIST) norteamericano, para estabelecer padrões de medição para biocombustíveis, o que inclui o óleo vegetal puro. Projeto similar está sendo desenvolvido entre o NIST e a Comunidade Européia (projeto Biorama), o que inclui a capacitação dos laboratórios para medir a qualidade dos biocombustíveis.

Na Europa, mais especificamente na Alemanha, o internacionalmente conceituado Deutsches Institut für Normung e. V. liberou a norma DIN V 51605 (especificações para combustíveis para motores de combustão compatíveis com óleos vegetais e métodos de teste). No Brasil, o Instituto Tecnológico do Paraná (TECPAR) analisou os óleos refinados de girassol, algodão, milho e canola, produzidos no Brasil, constatando que os mesmos atendem às disposições da DIN V 51605.

Solucionando problemas
A empresa Elsbett, da Alemanha, desenvolveu um motor para serviço pesado, usando óleo diesel ou óleos vegetais como combustível, com uma série de modificações em relação aos motores de ciclo Diesel convencionais. No motor Elsbett, a operação com óleo vegetal mantém as características operacionais e de potência semelhantes à operação com petrodiesel, de acordo com o fabricante.

Desta forma, a combustão do óleo vegetal na câmara de combustão assemelha-se ao diesel, conforme os testes da Elsbett representados na Figura 1.

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Figura 1. Processo de injeção e combustão do óleo vegetal em um motor Elsbett.
Fonte: Guenter Elsbett and Michal Bialkowsky, 2003 - Engines running on pure vegetable oil as regrowing fuel History, Development, Experience, Chances (www.elsbett.com/fileadmin/elsbett/archiv/de/svohistory.pdf)

O primeiro contratempo (talvez o principal) que necessita ser resolvido em um motor Diesel convencional para operar com óleo vegetal é a alta viscosidade. A solução proposta é o aquecimento do óleo vegetal de maneira que, ao ingressar no circuito bomba-filtro-bomba injetora-bico injetor, sua viscosidade esteja próxima àquela do petrodiesel. Isto é conseguido elevando-se a temperatura até cerca de 85o.C. Normalmente, aproveita-se o circuito da água de arrefecimento (por vezes dos gases de escapamento) para promover uma transferência de calor para o óleo vegetal. Este sistema foi inicialmente desenvolvido na Europa, sendo posteriormente testado nos Estados Unidos e no Brasil, e é composto de um kit de adaptação do circuito de combustível para promover o aquecimento do óleo.

O kit inclui um segundo tanque de combustível, especificamente para armazenar o óleo vegetal, e utiliza a água quente do sistema de arrefecimento do motor e, eventualmente, resistências elétricas, para aquecer o óleo e reduzir sua viscosidade (Figs 2 e 3). O objetivo final é atingir uma temperatura do óleo que permita ao sistema de injeção do motor fazer uma atomização adequada do combustível na câmara, permitindo sua combustão em níveis similares aos do petrodiesel.

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fechamento aleatorio

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Figura 3. Componentes do kit para uso de óleo vegetal
Fonte: Engo Mec. Paulo Morais

Nos testes realizados com o kit, nenhuma modificação é efetuada nos motores. Para dar a partida com o motor frio é utilizado exclusivamente o petrodiesel. Uma vez atingida a temperatura normal de operação (após 5-10 minutos de funcionamento), a qual permite o aquecimento do óleo vegetal, este passa a ser utilizado. Pouco antes de desligar o motor, se o veículo for ficar parado por longo período, o fornecimento de óleo vegetal é suspenso, e o motor funciona exclusivamente com petrodiesel para que os dutos, o filtro e a bomba injetora estejam preenchidos com petrodiesel, facilitanto a próxima partida.

As figuras a seguir mostram o comportamento do óleo vegetal em função da temperatura, de acordo com testes realizados pela Elsbett. A Figura 4 mostra como o tamanho da gota diminui acentuadamente com o aumento da temperatura. Igualmente, a Figura 5 mostra a redução drástica da tensão superficial com o aumento da temperatura, sendo que, aos 72ºC a tensão superficial da gota de óleo vegetal atinge valor equivalente à do petrodiesel a 40ºC, que é considerada uma temperatura corriqueira desse combustível ao atingir a bomba injetora.

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Na Figura 6, relaciona-se a viscosidade do óleo vegetal com a temperatura. Igualmente, verifica-se uma redução acentuada da viscosidade em função do acréscimo da temperatura, especialmente na faixa entre 0 e 40º.C.  A 110ºC a viscosidade do óleo vegetal iguala-se à do petrodiesel a 40ºC. Entretanto, a partir de 85ºC, as diferenças de viscosidade entre os dois combustíveis, para efeitos práticos, são imperceptíveis e permitem a operação do motor de forma similar.

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Há cerca de 5 anos, em especial no Estado do Mato Grosso, observou-se uma conjunção favorável ao uso de óleo vegetal em motores Diesel. Por um lado, a cotação das commodities agrícolas, em especial soja e algodão, atingiram um pico de baixa no mercado internacional, refletindo-se em baixos preços no mercado doméstico, agravado no caso do MT pelo alto custo do frete para o transporte da soja ao porto; de outra parte, o preço do petrodiesel atingiu um pico de alta, tornando altamente desfavorável a relação de troca e onerando o custo de produção.

Em determinado momento, no período 2004-2005, o óleo vegetal no MT valia 50% do preço do diesel, o que levou muitos produtores rurais a utilizarem o óleo vegetal refinado, misturado ao petrodiesel ou mesmo puro, sem mistura, em máquinas, veículos e tratores. Segundo os relatos verbais, num primeiro momento os veículos e máquinas funcionaram normalmente, como se estivessem operando com diesel, porém, com o uso continuado, observaram-se diversos problemas mecânicos – alguns bastante graves. O argumento desfiado pelos defensores do uso do óleo vegetal é que, naquele momento, não houve o uso dos kits de adaptação para o aquecimento do óleo vegetal, o que provocou as avarias.

Como reforço a este argumento, é lembrado que a Deutz, fabricante de tratores e motores Diesel na Europa (Alemanha e Itália), lançou em 2007 o trator Agrotron Natural Power, desenvolvido para operar com 100% de óleo vegetal refinado, utilizando o sistema de 2 tanques e kit de adaptação (Figura 7). Esse trator é vendido com garantia de 2.000 horas ou 2 anos, desde que o óleo vegetal refinado utilizado atenda à norma DIN V 51605. De acordo com os testes oficiais realizados na Europa, os óleos vegetais refinados disponíveis no mercado (soja, girassol, milho, algodão e canola) estão de acordo com os requisitos dessa norma.

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Figura 7. Deutz Agrotron Natural Power Tractor

O atendimento das especificações da norma DIN permite o uso de óleos já disponíveis no mercado. No caso de óleos vegetais usados em restaurantes e residências, existe tecnologia disponível, de baixo custo, que possibilita sua adequação às especificações da norma. Os dois problemas que se antecipam, no caso de óleos de fritura, não são técnicos, porém de escala e logística. Em primeiro lugar, combustíveis são usados na escala de muitos bilhões de litros, enquanto o óleo de fritura é usado na escala de poucos milhões de litros. Em segundo lugar, há necessidade de enorme dose de cooperação, boa vontade e de consciência para fazer com que todos os consumidores de óleo de fritura, residenciais, industriais ou comerciais, transportem seu produto aos pontos de recolhimento para futuro processamento.

Para finalizar, apresentamos a seguir algumas fotos de veículos e equipamentos que utilizam óleo vegetal puro, com imagens cedidas pela Elsbett.

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Figura 8. Trem convertido para uso de óleo vegetal.

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Figura 9. Ônibus convertido para uso de óleo vegetal.
 
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Figura 10. Volkswagen Golf convertido para uso de óleo vegetal.

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Figura 11. Motor Scania convertido para uso de óleo vegetal.

Décio Luiz Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, membro do Painel Cientifico Internacional de Energia Renovavel.