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How to cite this paperAn. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006
Bombas de calor em propriedades leiteiras
Ricardo Baldassin JrI; Luís Augusto Barbosa CortezII; Rodrigo Aparecido JordanII; Lincoln de Carmargo Neves FilhoIII; Vivaldo Silveira JrIII; Tamara Aurora Bartholomei FerreiraII
IPlanejamento de Sistemas Energéticos/FEM/UNICAMP
IIDepartamento de Construções Rurais e Ambiência/FEAGRI/UNICAMP
IIIDepartamento de Engenharia de Alimentos/FEA/UNICAMP
RESUMO
O leite é um produto de destaque na agropecuária nacional, com cerca de 2/3 das propriedades rurais do país destinando-se à pecuária leiteira, o segundo maior rebanho do mundo e uma participação representativa na economia nacional. Apesar da grandiosidade, o setor ainda sofre com a baixa produtividade, os altos custos, a instabilidade de preços e a defasagem tecnológica, o que fez com que muitos produtores tenham abandonado suas atividades diante deste novo cenário competitivo. Atualmente, assuntos como, aplicação intensiva de tecnologia e uso racional de energia, tem sido intensamente discutidos e abordados, e indicados, como aspectos importantes para a obtenção de ganhos de produtividade. Desta forma, apresenta-se neste trabalho uma avaliação do uso de energia no processamento do leite cru refrigerado de uma propriedade leiteira localizada na cidade de Morungaba/SP, com produção diária de 1.000 litros, tendo em vista os três principais processos (resfriamento, ordenha e aquecimento de água). Visando promover o uso racional de energia, realizou-se nesta propriedade, uma adequação no tanque resfriador de leite para o aproveitamento do calor de condensação do sistema de refrigeração para aquecimento de água de limpeza e higienização (operação segundo uma bomba de calor). Com esta prática, objetivou-se a exclusão do uso da resistência elétrica no processo de aquecimento por termo-acumulação (300 litros/dia), promovendo assim, redução no consumo e uso racional de energia. Para as condições da propriedade, a redução real no consumo de energia obtida foi da ordem de 13%, com tempo de retorno do investimento de 3,0 anos.
Palavras-chave: Leite; Energia; Refrigeração; Aquecimento; Bomba de Calor
ABSTRACT
Milk is a prominence product of Brazilian agriculture, with about 2/3 of the rural properties dedicated to the milkmaid cattle breeding, the second bigger flock of the world and a representative participation in the national economy. In spite of its size, the sector still suffers of low productivity, high costs, the instability of prices and tecnological delay, which resulted in many producers have abandoned its activities in consequence of this new competitive scenario. Nowadays, subjects as, the rational use of energy and intensive application of technology have been hardly discussed, and indicated, as important aspects to obtain high productivity gains. In this work, it is presented an evaluation of the use of energy in a milkmaid which processes cooled raw milk in Morungaba city, São Paulo state, Brazil, with a 1.000 liters daily production, making use of the three main processes (cooling, milking system and water heating). Aiming at to promote the rational use of energy, it was realized in this property, an adequacy in the tank milk cooler to utilize the condensation heat, of the refrigeration system, to heat cleanness water (operation according to a heat pump). Through this practical, it was objectified the exclusion of the use of the electric resistance in the heating process for term-accumulation (300 liters/day), promoting consumption reduction and rational use of energy. For the property conditions, the real reduction in the electric energy consumption was 13%, with 3,0 years of time of regain investment.
1. INTRODUÇÃO
Como o sexto maior produto da agropecuária brasileira, apresentando em 2005, uma produção de 24,762 bilhões de litros, o leite, apresentou um Valor Bruto de Produção de R$. 12,572 bilhões, representando 18,0% do Valor Bruto da Produção da Pecuária, ficando atrás, somente, da Carne bovina, e 7,5% do Valor Bruto da Produção da Agropecuária, ficou a frente de produtos tradicionais como: o Arroz, o Café beneficiado, a Carne Suína e; a Laranja. Os números também são expressivos no cenário internacional, sendo o Brasil, em 2005, o sétimo maior produtor mundial de leite, respondendo com cerca de 65,4% do volume produzido pelos países que compõem o Mercosul; 15,4% do volume total produzido pelos países do Continente Americano e; 4,4% da produção Mundial. No ano de 2005, o país apresentou o segundo maior número de vacas ordenhadas, com 20,5 milhões de cabeças, ficando atrás somente da Índia, com cerca de 38,5 milhões de cabeças. Porém, quando avaliada a produtividade do rebanho nacional, o Brasil encontra-se na 16ª posição, com um valor da ordem de 1.137 litros/vaca/ano, valor este, oito vezes inferior ao verificado nos Estados Unidos.
Apesar do baixo consumo per capita de leite no Brasil em 2005, cerca de 137,1 litros/habitante/ano, metade do valor encontrado nos países desenvolvidos (EMBRAPA, 2004), a produção de leite vem aumentando nos últimos anos, apresentando uma taxa de crescimento de 3,5% a.a, entre os anos de 1986 e 2005, acompanhando assim, o crescimento econômico do Setor Agropecuário, cerca de 4,31% a.a, valor este, bem acima do crescimento econômico verificado no Setor Industrial e de Serviços, bem como, do crescimento econômico nacional (IBGE, 2004). Neste mesmo ano, o Brasil ainda importou cerca de 450 milhões de litros de leite, ou seja, 1,8% da produção nacional.
Apesar do crescimento econômico e de produção do setor agropecuário, cerca de 36 % de pequenos produtores de leite foram excluídos do mercado nacional, devido a dificuldades de se adaptarem ao novo cenário competitivo, LEITE BRASIL (2001) apud MARTINS e GUILHOTO (2001). Segundo BARROS el. al (2004), houve uma redução de 70,7% no número de produtores de leite que forneciam leite aos 12 maiores laticínios do país entre os anos de 1998 e 2002, apesar do volume médio coletado por produtor, ter aumentado em cerca de 77,0%.
Inerente ao crescimento econômico e à modernização do setor, tem-se o crescimento do consumo de energia, onde, apesar de ser de forma não intensiva, os custos associados ao uso de energéticos, atuam, em alguns casos, de forma significativa na formação de preço do produto. A título de exemplo, em 2003, o preço médio do leite tipo C para o produtor foi de 0,434 R$/litro, onde, segundo estudos apresentados por REIS, MEDEIROS e ANDRADE (2001), o lucro representa cerca de 9,45% ou seja, cerca de 0,041 R$/litro. GOMES (1999) apresenta que o custo associado ao uso de energia e combustível em uma propriedade leiteira de Minas Gerais, com produção da ordem de 2.000 litros/dia, representa cerca de 4,5% do Custo Operacional Efetivo (0,0082 R$/litro).
Apesar de não ser encontrado na literatura nacional, estudos do uso de energia no setor da pecuária leiteira, segundo ABURAS et al. (1996), em uma fazenda de médio porte da Jordânia, na produção de leite tipo "C", o uso de energia no sistema de refrigeração e no processo de aquecimento de água, representam cerca de 38,21% do consumo total energia. Em outro estudo, PELLERIN et al. (1988), apresenta o uso de energia em uma fazenda localizada na cidade de Nova York, onde, os processos de resfriamento de leite e aquecimento de água, representam juntos, cerca de 58,52% do consumo total de energia. Quando avaliado o uso de energia no processo de aquecimento de água, verifica-se que, na geração de energia térmica, cerca de 50% da energia consumida se dá nesse processo.
Geralmente, o uso de água aquecida, se dá no processo de limpeza e higienização de equipamentos e da sala de ordenha. Esta prática, garante a sanidade do produto, bem como, aliada ao efeito temperatura (multiplicação de bactérias), determina a qualidade do mesmo. Segundo ROBBS e CAMPELO (2002), um leite ordenhado de animais não devidamente limpos e empregando utensílios sujos, pode conter cerca de 36 vezes mais bactérias (para a temperatura de 4ºC) que um leite ordenhado de animais e utensílios devidamente limpos. Usualmente, a temperatura da água empregada neste processo está entre 60 e 65ºC e com geração via resistência elétrica.
Visando o uso racional de energia e diante da existência de sistemas de refrigeração na pecuária leiteira, tem-se como uma prática eficiente para a geração de energia térmica na forma de "calor", a tecnologia da Bomba de Calor, a qual permite, com aproveitamento do calor de condensação, o aquecimento de água a cerca de 65ºC.
Apesar de pouco aplicadas no Brasil as Bombas de Calor são equipamentos eficientes para a geração de energia térmica na forma de "calor", podendo gerar de 3 a 5 vezes a quantia de energia empregada no acionamento do compressor. ARAÚJO e ROCHA (1990), em uma revisão bibliográfica, apresentam diversos casos de aplicação de bombas de calor em diversos laticínios e queijarias da Europa, gerando, simultaneamente, frio e calor para processo. Nestes sistemas, os COP's de aquecimento verificados, são acima de 3, com economia de energia entre 13 e 45%, quando comparado aos sistemas convencionais. Em um estudo, ÇOMAKLI et al., (1994) apresenta um estudo experimental comparativo do consumo de energia de um sistema clássico de pasteurização de leite (caldeira com parede dupla) e um sistema utilizando bomba de calor para realizar o mesmo efeito. Segundo descrito, o processo de pasteurização consiste no aquecimento do leite até 67ºC e resfriamento até a temperatura de inoculação de 32ºC. O sistema operando com uma bomba de calor, opera com sistema de refrigeração à R-114, com um compressor do tipo rotativo de 10 hp, onde, no condensador tem-se a carga térmica requerida para o aquecimento do leite e no evaporador, a carga térmica requerida no processo de resfriamento. Com relação ao consumo dos dois sistemas, segundo o autor, o sistema operando com bomba de calor apresentou um consumo de 4 a 5 vezes inferior ao consumo do sistema clássico.
Apesar do grande número de estabelecimentos destinados à pecuária leiteira, cerca de 1,8 milhões de propriedades, representando cerca de 34% do total de propriedades rurais do setor agropecuário nacional, não foi constatado o uso deste tipo de tecnologia no setor, demonstrando assim, a falta de conhecimento, difusão e aplicação da tecnologia no país, apesar das grandes vantagens técnicas e econômicas.
2. CARACTERIZAÇÃO DA PROPRIEDADE E O USO DE ENERGIA
A propriedade avaliada localizava-se na cidade de Morungaba, Estado de São Paulo, Brasil, produzindo cerca de 1.000 litros/dia, em regime de 2 ordenhas, com um rebanho de 50 animais em lactação (regime confinado).
No que refere-se ao uso de tecnologia e pontos consumidores de energia no processo produtivo de leite cru refrigerado, é apresentado na Figura 1 um esquema representativo do arranjo encontrado no referido estabelecimento avaliado.
No ponto 1, tinha-se o processo de ordenha, o qual era realizado com um ordenhadeira mecânica (tipo espinha de peixe) com 10 pontos de extração (5 simultâneos). Emprega-se no sistema de vácuo, um motor elétrico com potência nominal de 2,2 kW (2,0 cv).
No processo de resfriamento, Ponto 2, empregava-se um tanque resfriador aberto com expansão direta, Marca DeLaval, Modelo DXO, capacidade de 1.920 litros (operação em 4 ordenhas). O sistema de refrigeração empregado compunha-se de unidade condensadora Marca Danfoss, Modelo HGM028B30N, com um compressor hermético com potência elétrica de 2,7 kW, operando com R-22 e condensação a ar.
A coleta, Ponto 3, era realizada diariamente por volta das 19:00 horas.
Após cada ordenha, todo o sistema de ordenha passava por um processo de limpeza com o uso de água quente a 65ºC. Empregava-se neste processo 150 litros de água quente por ordenha, ou seja, 300 litros/dia. A água quente era gerada, por termoacumulação, em um boiler elétrico, Marca Cumulus, Modelo LXHZ, com capacidade de 150 litros e potência elétrica de 1.500 W.
Toda a limpeza do tanque resfriador, sala de ordenha e dos tetos dos animais era realizada com o uso de água a temperatura ambiente.
No local de confinamento dos animais em lactação não empregavam-se ventiladores para o acondicionamento do ambiente, uma vez que este encontrava-se localizado em um local bem ventilado e totalmente aberto.
No que refere-se ao levantamento do consumo de energia, este foi realizado ao longo de 6 dias consecutivos ao longo de Agosto e Setembro de 2005, para cada equipamento avaliado (tanque resfriador, aquecedor elétrico e ordenhadeira), com o uso de um medidor eletrônico digital portátil da ESB Medidores, Família SAGA 4000, Modelo 1380. Empregou-se nas medições um intervalo de integração de 5 minutos.
Os resultados das medições, juntamente com os custos associados, podem ser observados na Tabela 1. Na Figura 2, verifica-se a contribuição percentual do consumo de energia dos diferentes processos no consumo total avaliado.
Segundo os resultados apresentados, obteve-se que o consumo mensal de energia elétrica é da ordem de 2,19 MWh, onde o processo de resfriamento do leite é responsável por cerca da metade deste valor, seguido pelo processo de aquecimento de água e ordenha
Quando avaliado o gasto com energia elétrica, calculados com base em uma tarifa de 0,18512 R$/kWh - Grupo B/Rural, obteve-se um valor de cerca de 405,00 R$/mês. No que refere-se à representatividade dos processo nos gastos com energia, estes permanecem iguais aos valores encontrados para o consumo, uma vez que a propriedade é tarifada somente sobre o consumo.
Diante dos valores obtidos de consumo e gasto com energia e a produção média de 1.000 litros/dia, obteve-se que a relação uso de energia no processamento / litro de leite produzido é da ordem de 0,073 kWh/litro, e o gasto com energia, da ordem de 0,014 R$/litro. Cabe ressaltar que, neste caso, foi considerado somente o uso de energia no processamento do leite, outros pontos consumidores como: maquinário agrícola; alimentação; dentre outros, não foram avaliados neste estudo.
3. USO RACIONAL DE ENERGIA COM BOMBAS DE CALOR
Visando a promoção do uso racional de energia, de modo a reduzir o desperdício, foi realizada na referida propriedade uma adequação no sistema de refrigeração do tanque resfriador de leite, de modo a aproveitar calor de condensação, geralmente descartado ao ambiente, para aquecimento de água. Com esta prática, tem-se a geração simultânea de duas fontes térmicas, "frio" e "calor", em um único equipamento, tornando assim, possível, a exclusão do uso de uma segunda tecnologia, neste caso a resistência elétrica, no processo de aquecimento (representa 27% no consumo total de energia elétrica).
Tem-se na Figura 3, um esquema da adequação realizada no tanque resfriador de leite.
Segundo estimativas, o potencial de geração de água quente (65ºC) deste tanque, era da ordem de 450 litros/ordenha, ou seja, cerca de 900 litros/dia.
Neste caso, optou-se por uma configuração em série dos condensadores, uma vez que não foi possível o aproveitamento total do calor de condensação (água quente), pois o reservatório térmico disponível apresentava um volume de 150 litros, cerca de 1/3 do potencial de geração do sistema.
Nesta adequação, foi instalado um trocador de calor do tipo placas na descarga do compressor com capacidade de 9,0 kW (2,5 TR). Conforme comentado anteriormente, foi mantido o condensador do sistema (trocador aletado com ar forçado), uma vez que este entra em operação após o aquecimento dos 150 litros de água, o qual se dá, após 1 hora do início do processo de resfriamento do leite.
Empregou-se para a circulação de água no trocador de calor, uma bomba de água com potência elétrica de 0,37 kW (0,5 cv). Foi empregado um sistema de controle, no monitoramento das temperaturas do sistema (tanque de água quente e linha de líquido). Diante da existência de um reservatório térmico no local (boiler elétrico), foi feito o uso do mesmo para a estocagem da água quente gerada.
Nas Figuras 4 e 5, são apresentadas fotos do Sistema Trocador/Bomba de água e do Quadro de Controle, respectivamente.
Quando avaliado o custo da adequação, tem-se que o valor foi de R$ 1.463,50, com os custos específicos apresentados na Tabela 2.
O custo do trocador de calor, refere-se a um trocador do tipo tube-in-tube em aço inox, de mesma capacidade do instalado. O uso de um trocador deste tipo é justificado, uma vez que este apresenta um custo relativamente inferior quando comparado a um trocador tipo placas, reduzindo assim, o tempo de retorno do investimento.
A fim de avaliar a real redução no consumo, foi medido o consumo total de energia elétrica na pós-adequação ao longo de 6 dias consecutivos, similarmente ao realizado na primeira fase.
O resultado obtido é apresentado na Figura 5, onde tem representado as curvas representativas de demanda total na fase anterior e posterior à adequação.
Quando avaliada a redução no consumo de energia elétrica, contatou-se um valor da ordem de 278 kWh/mês, ou seja, uma redução de 14% no consumo total e 48% no consumo do processo de aquecimento. Quando avaliada em termos financeiros, a redução obtida é da ordem de 50,50 R$/mês.
4. ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA
Diante da real redução nos gastos com energia elétrica, foi avaliada a viabilidade econômica da tecnologia proposta. Para isto, foi empregado o método do Payback Descontado a Valor Presente.
Empregou-se como Receita anual (R), o valor referente a 12 vezes a economia mensal obtida (50,50 R$/mês). Considerou-se um aumento no valor da tarifa de energia elétrica de 11,11% a.a, aumento este, o qual foi observado nos últimos dez anos na tarifa média rural para a região sudeste, onde o valor passou de 64,22 R$/MWh, em 1996, para 184,65 R$/MWh, em 2005, ou seja, um aumento de cerca de 187,5% (ANEEL, 2006). Como Custo anual (C), foi considerado que este seja da ordem de 5% a.a sobre o capital investido, e refere-se aos custos com manutenção e operação. Foi empregado que o tempo de vida útil da tecnologia é de 10 anos.
Para auxiliar na tomada de decisão, foram determinados outros dois índices como: a Taxa Interna de Retorno Modificada (MTIR) e; a Margem Contábil (MC) (BALARINE, 2004).
A MTIR é um parâmetro o qual demonstra a taxa de remuneração interna do capital, a qual, quando comparada à taxa de atratividade sinaliza se o investimento é mais ou menos atrativo que aplicações externas. Diferentemente da TIR (Taxa Interna de Retorno), onde tem-se todos os fluxos (receitas e custos) descontados à mesma taxa, na MTIR faz-se distinção entre as taxas de captação de recursos (incide sobre os custos) e as taxas de remuneração ou de atratividade (incide sobre as receitas). Neste caso, foi considerado que a taxa de atratividade (ir) assume valores de 10% a.a e 15% a.a. No que refere-se a taxa de captação de recursos (ic), empregou-se um valor de 14% a.a. Os valores de ir considerados, foram observados em GOMES (2002) como sendo taxas atrativas para o setor. Para ic, foi considerada a taxa efetiva de juros utilizada no Programa de Crédito Rural, administrado pelo BNDES, na Seção Finame Agrícola Especial - 1, a qual é da ordem de 13,95% a.a (BCB, 2005).
A MC é uma medida relativa dos retornos, que sinaliza qual será o percentual de lucro sobre o capital investido no final do período, ou seja, é uma razão entre o entre o valor presente líquido e a somatória das receitas. Neste caso, quando MC >100%, tem-se que o investimento é viável e no final da vida útil, ter-se-á recursos suficientes para a compra de um novo investimento.
Ainda foi considerado que, em ambos os casos, o valor de sucata das tecnologias são nulas no fim da vida útil das mesmas e; que a receita somente se dá com a economia de energia (a tecnologia atual, aquecedor elétrico, já encontra-se amortizado).
Desta forma, tem-se na Tabela 3 os resultados encontrados.
Segundo apresentado na Tabela 3, observou-se que o tempo de retorno do investimento dar-se-á em 2,95 e 3,23 anos, para as taxas de atratividade de 10% e 15%, respectivamente. Quando avaliado o valor da MTIR, obteve-se valores superiores que as taxas de atratividade propostas, observando assim a atratividade do investimento. Os valores de MC superiores a 100%, indicam, em ambos os casos, que no final da vida útil da tecnologia, ter-se-á recursos suficientes para a realização de um novo investimento. Desta forma, conclui-se que haverá retorno do capital investido e o investimento é atrativo.
5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES
A adequação realizada no tanque resfriador de leite foi fruto de um trabalho de pesquisa desenvolvido na Universidade Estadual de Campinas por pesquisadores das Faculdades de Engenharia Mecânica (FEM), Agrícola (FEAGRI) e de Alimentos (FEA). Atualmente, a tecnologia esta sendo desenvolvida e avaliada pela empresa THOMPSON - Tecnologia em Energia Térmica e Bombas de Calor Ltda, a qual tem sede nas dependências da Faculdade de Engenharia Agrícola, sob o regime de incubação pela Incubadora de Empresas de Base Tecnológicas da Unicamp (INCAMP).
No que tange aos resultados obtidos na Planta Piloto, contatou-se a viabilidade técnica de geração simultânea de duas fontes térmicas, "frio" e "calor", em um único equipamento, bem como, a capacidade de geração supera o consumo atual de água quente na propriedade. Constatou-se também que, com a tecnologia da bomba de calor foi possível promover uma redução no consumo de energia elétrica, no processo de aquecimento, em cerca de 45%. Quando avaliado os aspectos econômicos, contatou-se a viabilidade econômica da tecnologia, com um tempo de retorno do investimento da ordem de 3,0 anos e remunerações internas do capital superiores às taxas de atratividades consideradas.
No que refere-se ao uso de água quente, observou-se que este se dava, somente, na limpeza e higienização da ordenhadeira, sendo este consumo, cerca de 1/3 da capacidade de geração do sistema, ou seja, a adequação realizada é sub-utilizada. Segundo verificado no local, há outras demandas de água quente como: limpeza de úberes e limpeza do ambiente da ordenha, as quais, segundo o administrador, não são essenciais, porém, desejáveis. Neste caso, se considerado um gasto com aquecimento via resistência elétrica igual a três vezes ao valor atual (considerando aquecimento de 450 litros por ordenha, ou seja, capacidade total do sistema), o tempo de retorno do investimento pode reduzir para cerca de 1 ano. Com esta prática, ter-se-ia um processo de limpeza e higienização mais simples e rápido, bem como, promover-se-ia maior sanidade e qualidade do produto.
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