7.4.2 Combust˜ao direta da biomassa
Atualmente, o pre¸co do petr´oleo est´a subindo, e in´umeras empresas est˜ao substituindo suas caldeiras supridas por derivados de petr´oleo por caldeiras a lenha.
´
E pr´atica comum dos agricultores da regi˜ao realizar a queimada antes do plantio. Al´em do preju´ızo ao solo, muita energia ´e desperdi¸cada nesta pr´atica. Pretende-se demonstrar que seria muito melhor utilizar biodigestores naturais para a prepara¸c˜ao do solo.
A alguns anos atr´as foi muito empregado o locom´ovel; uma pequena caldeira a lenha. O vapor gerado pode ser utilizado para gera¸c˜ao de eletricidade em uma turbina, acionamento de grandes m´aquinas rotativas (moinho, serraria, trilhadeiras, recalque d’´agua, etc.) a um custo de aproximadamente 1000 U$ por kVA instalado.
A lenha pode ser queimada num forno-fog˜ao constru´ıdo pelo usu´ario, sem maiores dificuldades. Entre- tanto, deve-se escolher o fog˜ao com maior rendimento.
7.4.3 Combust´ıveis de origem vegetal
A eletricidade ´e utilizada para trabalho em oficina, comunica¸c˜oes, controle, para ilumina¸c˜ao, refrigera¸c˜ao, e outros usos. A integra¸c˜ao de motores de combust˜ao interna, m´aquinas el´etricas, baterias, ve´ıculos el´etricos, e diferentes formas de energia mecˆanica rotativa, reduz o custo (diversidade de tempo e local) e aumenta a confiabilidade (possibilidade de troca de combust´ıvel ou fonte energ´etica). Neste sentido, pode-se avaliar o uso de ´alcool et´ılico obtido por fermenta¸c˜ao da biomassa, ou tamb´em uso de produtos de processamentos t´ermicos (gaseifica¸c˜ao, carv˜ao vegetal, metanol, etc.)
Quando duas fontes de energia s˜ao usadas para suprir um certo n´umero de necessidades, duas op¸c˜oes b´asicas s˜ao poss´ıveis:
a. Converter a energia das fontes para uma forma de armazenamento, e a partir desta alimentar as necessidades. Este armazenamento pode ser ´agua em reservat´orios ou carga de baterias. Isto ´e muito importante na eletricidade, cozinha, e refrigera¸c˜ao, onde a confiabilidade deve ser alta, e a quantidade de potˆencia envolvida ´e pequena.
b. Usar cada recurso no caminho que for mais conveniente e eficiente do ponto de vista da combina¸c˜ao recurso-uso. Um ´unico motor Otto e um ´unico ‘locom´ovel’ podem servir para diversos usos sem utilizar eletricidade, pois estes geralmente n˜ao ocorrem ao mesmo tempo.
A segunda alternativa ´e importante onde a potˆencia ´e grande, e o uso ocorre por um curto per´ıodo de tempo (baixo fator de carga).
7.5
Biodigestores
Foi em 1776, que Volta descobriu o metano, ou o ”g´as dos pˆantanos”. A fermenta¸c˜ao metˆanica constitui-se num importante ramo de valoriza¸c˜ao energ´etica da biomassa.
Embora o potencial da biomassa seja muito grande no Brasil, o processo de decomposi¸c˜ao anaer´obia ´
e modestamente utilizado na gera¸c˜ao de energia el´etrica. Este trabalho prop˜oe associa¸c˜ao de geradores el´etricos movidos a biog´as, com as redes de eletrifica¸c˜ao rural, pela facilidade de implanta¸c˜ao, comercial- iza¸c˜ao energ´etica, e aumento da confiabilidade do sistema de produ¸c˜ao at´e alcan¸car o ponto de equil´ıbrio. A capta¸c˜ao e a prepara¸c˜ao da biomassa para o biodigestor anaer´obio pode ser realizada com canais de terra anaer´obios, constru´ıdos com material e m˜ao-de-obra locais. Tamb´em ´e indispens´avel otimizar a aduba¸c˜ao orgˆanica com um cont´ınuo bombeamento, agita¸c˜ao e mistura de l´ıquidos.
Este trabalho tamb´em apresenta um r´apido estudo da viabilidade t´ecnico econˆomica da utiliza¸c˜ao do biog´as em sistemas rurais, abordando os principais problemas pr´aticos e suas solu¸c˜oes.
7.5.1 Biofertilizante
A energia bem utilizada presta inestim´aveis servi¸cos, os quais podem ser melhor avaliados atrav´es do que representa a falta (ou disponibilidade) de um kWh na produ¸c˜ao. O simples ato de tornar um sistema auto- sustent´avel n˜ao tem significado se n˜ao resultar uma sustentabilidade econˆomica. Para que o sistema auto- sustent´avel atinja efetivamente suas finalidades, ´e indispens´avel que desperte e incentive a ado¸c˜ao de novas t´ecnicas de produ¸c˜ao e manejo dos recursos naturais, bem como possibilite a extens˜ao do desenvolvimento a toda popula¸c˜ao.
A biomassa com altos teores de umidade, ´e o que normalmente sobra para a convers˜ao energ´etica. Somente os processos de convers˜ao biol´ogica tˆem o potencial de conservar os compostos nitrogenados da biomassa para reciclagem ao solo. Biomassa contendo 12 % de prote´ınas do peso seco cont´em aproximada- mente 19 kg de N/t. Isto ´e importante, comparado ao elevado custo energ´etico de fabrica¸c˜ao dos adubos nitrogenados, que ´e 15 MWh/kg de nitrogˆenio sint´etico. Assim, a quantidade de energia 285 MWh/t de biomassa seca, indica que esta nunca deveria ser queimada (sem a recupera¸c˜ao de amˆonia).
A produ¸c˜ao da vegeta¸c˜ao terrestre pode chegar a 88 t/ha/ano em regi˜oes tropicais. Em condi¸c˜oes fa- vor´aveis, o aguap´e produz at´e 600 kg de mat´eria seca por hectare por dia, ou seja 219 t/ha/ano, equivalente a 120 barris de petr´oleo/km2/dia. O aguap´e seco possui propriedades nutritivas compar´aveis com as de muitos produtos agr´ıcolas, sendo utilizado como alimento para o gado com grande sucesso. A quest˜ao ´e, naturalmente, determinar a rela¸c˜ao entre a ´area de aguap´e em rela¸c˜ao com outras ´areas de plantio visando basicamente alimenta¸c˜ao, madeira para abastecimento industrial, ou energia.
As referˆencias atuais feitas a biodigestores est˜ao associadas, preferencialmente `a produ¸c˜ao do biofer- tilizante, e utiliza¸c˜ao do biog´as para aquecimentos secund´arios. Al´em do biog´as e do biofertilizante, dois outros aspectos est˜ao associados `a reciclagem das biomassas geradas nas propriedades rurais, o saneamento e a preserva¸c˜ao do meio rural.
A simples instala¸c˜ao de um biodigestor, certamente n˜ao resolve o problema energ´etico de um pequeno agricultor (pois ´e um equipamento caro para o seu padr˜ao de vida), mas quando este passa a ser um produtor auto-sustent´avel, o sistema de biodigest˜ao anaer´obia passa a ser uma garantia de sucesso.
Os excrementos de animais, os insetos, folhas, galhos e frutos que caem das plantas apodrecem no solo e v˜ao dar origem ao h´umus. A ”fabrica¸c˜ao do h´umus” ´e feita por microorganismos (bact´erias e fungos) existentes no solo, que decomp˜oem esse material. As bact´erias podem ser aer´obias, anaer´obias, ou facultativas, em rela¸c˜ao `a luz e ao oxigˆenio.
7.5.2 Prepara¸c˜ao da mistura
Os componentes deste sistema de prepara¸c˜ao s˜ao canais de terra, que podem eventualmente realizar tamb´em decomposi¸c˜ao anaer´obia, segundo as condi¸c˜oes clim´aticas (temperatura e umidade) e teor de mat´eria orgˆanica. Construiu-se um canal experimental, para coloca¸c˜ao do lixo orgˆanico residencial. Consiste de uma vala (escavada manual ou mecanicamente) com se¸c˜ao de 80x80 cm2, coberta com galhos de podas de ´
arvores, e posteriormente com terra e vegeta¸c˜ao. Com alguma manuten¸c˜ao, esta vala dura at´e 3 anos, que ´e um prazo suficiente para o crescimento de ´arvores ou agricultura nas suas proximidades. As caracter´ısticas destes canais s˜ao:
(a) Tˆem a m˜ao-de-obra como ´unico componente do custo, significando que n˜ao exigem capital de investimento. A sua constru¸c˜ao n˜ao tem per´ıodo fixo, integrando-se portanto com a atividade econˆomica b´asica.
(b) Aproveita-se a natureza, como por exemplo as chuvas, solo e subsolo, a topografia, e a gravidade para a condu¸c˜ao da biomassa at´e um ponto de drenagem, onde s˜ao bombeados at´e um biodigestor central. (c) Utiliza-se atividades agropecu´arias normais, sem aumentar os trabalhos, mas at´e mesmo facilitando- os. O recolhimento e prepara¸c˜ao da biomassa ´e uma atividade simples, sem consumo energ´etico extra.
7.5. BIODIGESTORES 153 (d) N˜ao se retira a biomassa da lavoura, pois os canais podem ser constru´ıdos junto a estas ´areas. Assim, n˜ao se concentra nutrientes num determinado local da propriedade.
(e) Aproveita-se estes canais para irriga¸c˜ao e drenagem das ´areas agr´ıcolas. Realiza-se um controle eficiente da eros˜ao e da polui¸c˜ao.
(f) A regulariza¸c˜ao do curso d’´agua ao longo do canal durante o ano significa torn´a-lo perene. Estes canais ser˜ao os precursores de cursos d’´agua perenes. Ap´os o desmoronamento dos canais (3 anos), estes cursos poder˜ao ser oxigenados com rodas d’´agua, usadas para movimentar pequenos geradores el´etricos.
7.5.3 Decomposi¸c˜ao da mat´eria orgˆanica
A percentagem m´edia de ´agua na biomassa pode variar de 50 a 70%, segundo as esta¸c˜oes do ano, o tipo de planta, o terreno, e outros fatores. Quando qualquer tecido verde ´e seco e perde ´agua, o material restante comp˜oe-se principalmente de carbohidratos (celulose e lignina), e em menores quantidades de prote´ına. Se este material sofre a¸c˜ao de bact´erias aer´obias ou anaer´obias decomp˜oe-se e liberam minerais e gases.
Nos biodigestores realiza-se o processo de decomposi¸c˜ao anaer´obia. Os microorganismos digerem a biomassa para produzir metano (CH4) e di´oxido de carbono (CO2). Existem diversos tipos de biodigestores,
sendo os principais o modelo chinˆes e o indiano. O sistema de digest˜ao pode ser de dois est´agios: um s´olido e outro l´ıquido.
A decomposi¸c˜ao das folhas numa floresta tropical nativa leva aproximadamente 6 meses. Se o homem n˜ao tem muita coisa a contribuir no ritmo de crescimento das plantas, pode atuar no sentido de acelerar enormemente o tempo de decomposi¸c˜ao. A disposi¸c˜ao do efluente l´ıquido de ind´ustrias, residˆencias, animais, etc. por filtros biol´ogicos anaer´obios ´e considerado um processo muito eficiente, do ponto de vista ecol´ogico e sanit´ario. Para ser utilizado tamb´em como fonte energ´etica, sugere-se utilizar canais de terra anaer´obios, cobertos com galhos e vegeta¸c˜ao. Estes canais constituem a fase s´olida, e devem durar de 3 a 5 anos, e, enquanto isto, aceleram o crescimento de ´arvores nas suas proximidades.
O est´agio l´ıquido pode ser um ´unico biodigestor, mantido em local de temperatura controlada, desen- volvido para realizar a decomposi¸c˜ao com m´ınimo tempo de concentra¸c˜ao, reduzindo-se assim o custo do sistema. Utiliza-se integra¸c˜ao com constru¸c˜oes.
As principais vantagens s˜ao:
(a) Permite separar a fase acidogˆenica e a metanogˆenica em dois locais distintos: os canais de terra e o biodigestor central, respectivamente. Permite maximizar a produ¸c˜ao de g´as, e de metano no biodigestor central.
(b) Este processo permite diminuir o tempo de concentra¸c˜ao, sendo uma instala¸c˜ao mais compacta e de menor custo. Existem in´umeros processos de digest˜ao, cabendo ao projetista especificar o mais econˆomico e eficiente em cada caso.
(c) A utiliza¸c˜ao de bombas permite a agita¸c˜ao pela pr´opria circula¸c˜ao da biomassa no digestor. O controle da rela¸c˜ao C/N pelas vaz˜oes tamb´em facilita o bom funcionamento em escala industrial.
(d) A integra¸c˜ao com as constru¸c˜oes ´e essencial para o aquecimento da mistura. A temperatura deve manter-se na faixa de 30 a 35oC. Entre outras formas de aquecimento, destaca-se o uso de coletores solares, que tˆem rendimento de at´e 50% nesta faixa de temperatura.
(e) O biofertilizante que sai dos digestores pode alimentar uma lagoa verde, onde cultiva-se aguap´es, por exemplo. Outra op¸c˜ao ´e passar por verme-composto. Estas lagoas integram-se muito bem com agricultura, piscicultura e pecu´aria, na forma de rota¸c˜ao de culturas.
7.5.4 A forma¸c˜ao do metano
Teoricamente, a produ¸c˜ao do metano, a partir da celulose e amido ´e a seguinte:
Isto quer dizer que 162 g de celulose fornecem 67.2 litros de g´as metano e 67.2 litros de g´as carbˆonico em condi¸c˜oes normais de temperatura e press˜ao (CNTP). O rendimento pr´atico fica em torno de 40 %. Um metro c´ubico de estrume, pesando 500 kg, com 20% de peso em material s´olido decompon´ıvel (l00 kg), poder´a fornecer 16.5 m3 de metano. Se o g´as produzido contiver 55% de metano puro, tem-se 30 m3 de biog´as (CNTP). Considerando um tempo de reten¸c˜ao de 90 dias, chega-se `a conclus˜ao que 1 m3 de cuba
de fermenta¸c˜ao produz diariamente cerca de 0,6 m3 de biog´as e decomp˜oe diariamente cerca de 3.6 kg de celulose.
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + H2O (7.3)
A rea¸c˜ao exot´ermica do metano com o oxigˆenio libera 218.8 kcal/mol. A temperatura de inflama¸c˜ao desta mistura ´e 667 oC. Com o oxigˆenio, o metano forma uma mistura detonante, cujo m´aximo efeito corresponde a um volume de metano por dois volumes de oxigˆenio, ardendo com chama pouco luminosa.
7.5.5 O aproveitamento do metano
Tanto o biog´as como a lenha s˜ao facilmente aplicados na cozinha. O consumo de biog´as num fog˜ao port´atil com dois queimadores ´e de 0,5 m3/h.
H´a alguns anos atr´as, tudo levava a crer que, quando se ”redescobrisse” a fermenta¸c˜ao metˆanica, esse processo estaria destinado a ter um desenvolvimento muito grande. Com efeito, a crise de energia, a necessidade de eliminar detritos e polui¸c˜ao, severamente regulamentada pelos poderes p´ublicos, os custos de investimentos a priori menos onerosos do que os correspondentes `a instala¸c˜ao de vias de tratamento cl´assicas, s˜ao muitos dos parˆametros que teriam influenciado favoravelmente na escolha desta t´ecnica.
Mas, em nosso pa´ıs, as realiza¸c˜oes s˜ao muito espor´adicas. Em algumas unidades, instaladas em pro- priedades rurais, fazendas, pocilgas, e f´abricas; a pr´atica mostrou que os novos horizontes oferecidos pelos processos anaer´obios eram muito estreitos.
O biog´as, constitu´ıdo de 55 % de metano (CH4), tem 5.500 kcal/m3. Ele pode ser usado diretamente
ou submetendo-o antes, a uma purifica¸c˜ao quanto ao di´oxido de carbono (CO2), `a umidade e, se necess´ario
ao g´as sulf´ıdrico (H2S). Para o bom funcionamento dos queimadores a biog´as, recomenda-se uma press˜ao
correspondente a 10 cm de coluna d’´agua. Para lampi˜oes s˜ao desej´aveis 15 a 20 cm.
A elimina¸c˜ao do g´as carbˆonico, muito f´acil de se realizar por causa da grande solubilidade na ´agua, permite obter um g´as com 95 % de metano, cujo poder calor´ıfico ´e de cerca de 8.400 kcal/m3. O di´oxido de carbono pode ser retirado pela passagem do biog´as atrav´es de ´agua corrente, por borbulhamento.
A ´agua l´ıquida do biog´as ´e removida por um purgador, colocado em local mais baixo, ap´os o resfria- mento, pois a umidade depende da temperatura do l´ıquido do biodigestor. Passando-se o g´as atrav´es de um tubo de cloreto de c´alcio (CaCl2) elimina-se toda umidade, sendo que este produto qu´ımico poder´a ser
recuperado por aquecimento e evapora¸c˜ao da ´agua absorvida. Este aquecimento, por ser lento, pode ser feito com energia solar.
Os motores a ´oleo diesel e gasolina podem ser convertidos para o uso do biog´as. Contudo, h´a necessidade deste ser purificado tamb´em pela remo¸c˜ao do sulfeto de hidrogˆenio, al´em do di´oxido de carbono e da umidade. O sulfeto de hidrogˆenio (H2S) pode ser removido, passando-o atrav´es de um tubo contendo ´oxido
de ferro. O ´oxido de ferro ´e eventualmente convertido em sulfeto de ferro, mas este, poder´a transformar-se novamente em ´oxido de ferro por exposi¸c˜ao ao ar, ou por tratamento t´ermico cuidadoso.
A convers˜ao do biog´as para energia el´etrica pode ser feita com um motor Otto acoplado mecanicamente a um gerador de indu¸c˜ao. O rendimento total pode ser de 50 %, e o custo em torno de 500 U$ por kVA instalado, para potˆencias de at´e 5 Hp.
O biog´as, como combust´ıvel para motores, tem sido aproveitado desde muitos anos. Entretanto existem cuidados, tais como:
a. Caso se queira funcionar sem o aux´ılio inicial da gasolina, pode-se fazˆe-lo, mas o biog´as deve ser suprido pela tubula¸c˜ao do tanque da gasolina. Os dispositivos de entrada de gasolina, do jato de ar, e a
7.6. AQUECEDORES SOLARES 155