3 METODOLOGIA
3.2 ANÁLISE DE VIABILIDADE ENERGÉTICA
3.2.1 CÁLCULO DO BALANÇO DE ENERGIA EM ESCALA DE BANCADA
Para as técnicas de pré-tratamento térmico, utilizou-se a Equação 2 para calcular a energia requerida para pré-tratar a biomassa (PASSOS e FERRER, 2014):
(2)
onde:
Ein = energia requerida para o pré-tratamento da biomassa (kJ/g SV ou kJ/g DQO);
ρ = densidade da suspensão de microalgas (kg/L);
V = volume da suspensão de microalgas submetido ao pré-tratamento (L);
γ = calor específico da suspensão de microalgas (kJ/kg.ºC);
Tp = temperatura do pré-tratamento (ºC);
To = temperatura inicial da suspensão de microalgas, isto é, temperatura ambiente (ºC);
mSV = massa de sólidos voláteis contida no volume da suspensão de microalgas submetido ao pré-tratamento (g SV ou g DQO);
κ = coeficiente de transferência de calor (W/m2.°C);
A = área superficial do reator (m2);
t = tempo de pré-tratamento (min).
Observa-se que a Equação 2 é composta por dois termos: o primeiro refere-se à energia gasta para aquecer a suspensão de microalgas da temperatura inicial até a temperatura do pré-tratamento, enquanto que o segundo termo está associado à energia gasta para manter o sistema na temperatura desejada, isto é, a energia que deve ser reposta ao sistema para compensar as perdas por troca térmica entre as paredes do reator e o ambiente (PASSOS e FERRER, 2014).
Nos casos em que não foram citados pelos autores os valores de densidade (ρ) e de calor específico (γ) da suspensão de microalgas, foram considerados os valores da água pura, isto é, ρ = 1 kg/L e γ = 4,18 kJ/kg.ºC, já que se tratam de soluções bastante diluídas. Para o coeficiente de transferência de calor (κ), que depende dos fluidos presentes em ambos os lados (interno e externo) das paredes do reator, bem como de suas propriedades (composição, espessurae etc.) foi adotado o valor de 1 W/m2.°C, típico para uma parede constituída de concreto com isolamento térmico (OMETTO et al., 2014a; PASSOS e FERRER, 2014;
METCALF e EDDY, 2003; FERRER et al., 2009).
Considerou-se uma temperatura ambiente de 25ºC e a utilização de um reator cilíndrico vertical de volume total de 2L, volume útil de 1,5L e razão altura/diâmetro igual a 2. O cálculo da área superficial de troca térmica foi realizado em função do volume útil, desconsiderando as superfícies dos tampos do reator, totalizando 0,061 m² (PASSOS e FERRER, 2014). Assim, a Equação 2 passa a ser expressa da seguinte forma:
(2a)
Para as técnicas de pré-tratamento ultrassônico e por micro-ondas, utilizou-se a Equação 3 (CHO et al., 2013; OMETTO et al., 2014a):
(3)
onde:
Ein = energia requerida para o pré-tratamento da biomassa (kJ/g SV ou kJ/g DQO);
P = potência do equipamento utilizado (J/s);
t = tempo de duração do pré-tratamento (s);
CS = concentração da suspensão de microalgas (g SV/L ou g DQO/L);
V = volume da suspensão de microalgas submetido ao pré-tratamento (mL).
Buscou-se utilizar as potências dos equipamentos de marca e modelo indicados pelos autores dos trabalhos estudados. Nos casos em que não foram citadas essas especificações, foram utilizadas as potências de equipamentos comerciais compatíveis com os experimentos, disponíveis nos sites ou obtidas por meio de contato com fornecedores. Os cálculos foram realizados baseados nas potências máximas dos equipamentos, logo, são pessimistas quando comparados a cálculos com as potências nominais, já que, normalmente, os equipamentos são operados com uma fração da potência instalada.
Para as técnicas de pré-tratamento alcalino e enzimático, foi utilizada a Equação 4 no cálculo da demanda de energia de cada pré-tratamento (CHO et al., 2013):
(4)
onde:
Ein = energia requerida para o pré-tratamento da biomassa (kJ/g SV ou kJ/g DQO);
mR = massa utilizada de reagente (g);
YR = preço do reagente (R$/g);
Pe = equivalente em energia = 8745,9 kJ/R$;
CS = concentração da suspensão de microalgas (g SV/L ou g DQO/L);
V = volume da suspensão de microalgas submetido ao pré-tratamento (mL).
Os preços dos reagentes foram obtidos em sites de comercialização de reagentes químicos para fins acadêmicos, ou seja, vendidos em pequenas quantidades.
O equivalente em energia (Pe) foi calculado com base na tarifa média comercial de energia praticada no Brasil, no período de janeiro a dezembro do ano de 2015, disponibilizada no Relatório da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). A tarifa média de fornecimento para a classe de consumo comercial foi de R$411,62/MWh nesse período.
Sabendo-se que 1 MWh equivale a 3,6.106 kJ, tem-se que a tarifa é de R$ 1,14.10-4/kJ, logo, o equivalente em energia (Pe) é de 8745,9 kJ/R$.
Nos casos em que se combinaram diferentes técnicas de pré-tratamento (pré-tratamento térmico e enzimático, por exemplo), calcularam-se separadamente, pelas equações adequadas, as contribuições energéticas de cada técnica e somaram-se todas as contribuições, resultando em um valor final de Ein único.
A energia obtida a partir do acréscimo de metano produzido foi calculada pela Equação 5 (CHO et al., 2013; OMETTO et al., 2014a; PASSOS, GARCÍA e FERRER, 2013):
(5)
onde:
Eout = energia obtida a partir do acréscimo de metano produzido (kJ/g SV ou kJ/g DQO);
η
=eficiência de recuperação da energia do metano (0,9);ΔP = incremento na produção de metano após o pré-tratamento (mL CH4/g SV ou mL CH4/g DQO);
ξ = poder calorífico inferior do metano (ξ = 35,8 kJ/L CH4) (LEWANDOWSKI, 1999).
De acordo com Lu et al. (2008), o metano provindo da digestão anaeróbia pode ser facilmente convertido em energia elétrica e calor, utilizando uma unidade de eletricidade e calor combinados (CHP). Nesse caso, cerca de 35% da energia química do metano é convertida em energia elétrica, 55% é convertida em energia térmica e 10% é perdida. Assim, considerou-se uma eficiência de recuperação da energia do metano (
η
) de 0,9.Por fim, a energia líquida do processo (Enet) foi calculada de acordo com a Equação 6 (PASSOS, GARCÍA e FERRER, 2013; OMETTO et al., 2014a):
(6)
Nota-se que a energia líquida é um parâmetro adimensional, normalizando todos os resultados, já que em alguns trabalhos os valores são expressos em kJ/g DQO e em outros são expressos em kJ/g SV. Para que o pré-tratamento seja considerado energeticamente viável, é necessário que Enet apresente um valor menor que 1 (um). Para valores maiores que 1, tem-se que a energia aplicada no pré-tratamento é superior à energia obtida com a combustão do metano (Ein > Eout), sendo energeticamente desvantajoso pré-tratar a biomassa. Para Enet = 1, tem-se que a energia aplicada é igual à energia obtida (Ein = Eout), sendo indiferente a realização do pré-tratamento.