Desempenho de Geração de Energia em Escala Industrial

Ao comparar os sistemas de um estágio (RT-1) e de dois estágios (RA-1+RST-1) na estimativa de produção de energia em escala industrial, os resultados de recuperação energética levam a conclusões diferentes que a análise fundamental. O sistema de um estágio RT-1 foi projetado com vazão de alimentação de 40.567 m3.dia-1. Por outro lado, o sistema de dois estágio (RA-1+RST-1) foi projetado com vazão afluente maior que o RT-1 para o reator RA-1 com 176.977 m3.dia-1 e a vazão afluente do reator RST-1 foi de 7754 m3.dia-1.

A maior vazão de alimentação do reator RA-1 é resultante da vazão de recirculação necessária para adequar a DQO da vinhaça para as condições de operação do sistema. Quanto maior a demanda de efluente acidogênico para diluir a vinhaça alimentada no sistema, maior a vazão afluente do reator acidogênico. Além disso, como a diferença de DQO entre a corrente de vinhaça bruta e a corrente de efluente do reator metanogênico (2010 mg.L-1) é maior que a diferença entre a DQO da vinhaça e do efluente acidogênico (9050 mg.L-1), a diluição da vinhaça com o efluente do reator metanogênico torna-se mais eficiente. Em razão desses fatores, a estimativa do volume do RT-1 foi de 40.567 m3_{, enquanto o volume do reator RA-1} foi de 29.496 m3 _{e do RST-1 foi de 4556 m}3_{. Assim, o sistema de dois estágios obteve volume} total apenas 16,1% menor que o volume do reator metanogênico de um estágio, apesar dos valores de TCO aplicada aos reatores RA-1 e RST-1 serem mais que o dobro da TCO aplicada ao RT-1.

Entretanto, esse menor volume total no sistema de dois estágios não correspondeu em eficiência energética, tendo em vista que a geração de potência por volume do sistema RA- 1+RST-1 de 207 W.m-3 foi menor que o sistema de um estágio (689 W.m-3) devido a sua maior potência gerada de 28 MW. Esse valor é 294% maior que a potência total gerada pelo sistema RA-1+RST-1 (7,1 MW). A diferença desses resultados e as discussões desenvolvidas na parte fundamental pode ser explicado pelo rendimento energético apresentado na Tabela 5.12.

Tabela 5.12 – Estimativa de produção de energia e rendimentos energéticos do estudo 1

Arranjo

Reator acidogênico VR

(m3₎

ProdH

(kmol.dia-1₎ EH (MW) H (kJ.kg DQOrem-1)

AST1 29.496 662.5 1,9 953

Arranjo

Reator metanogênico Total

VR (m3₎ ProdM (kmol.dia-1₎ EM (MW) M (kJ.kg DQOrem-1) E (MW)  (kJ.kg DQOrem-1) AT1 40567 3011 28 10850 28 10850 AST1 4556 560 5,2 9234 7,1 2813

VR – volume do reator; ProdH – vazão molar de hidrogênio do reator industrial; ProdM – vazão molar de

metano do reator industrial; EH - potência gerada pela combustão do hidrogênio; EM - potência gerada pela

combustão do metano; E – potência global gerada pelo sistema; H – rendimento energético de hidrogênio

por carga removida; M – rendimento energético de metano por carga removida;  – rendimento energético

global por carga removida;

O sistema de um estágio obteve rendimento energético de 10850 kJ.kg DQOrem-1 (7942 kJ.kg DQOaplicada-1_{) considerando a energia produzida pelo reator metanogênico de} 28,0 MW com TCO removida de 5,5 kg DQO.m-3_.dia-1_{. Por outro lado, o sistema de dois} estágios apresenta dois rendimentos energéticos distintos, um para o reator acidogênico e outro para o reator metanogênico. O rendimento energético reator metanogênico RST-1 foi similar ao RT-1, com 9234 kJ.kg DQOrem-1 considerando a energia produzida pelo reator metanogênico de 5,2 MW com TCO removida de 10,7 kg DQO.m-3.dia-1.

Entretanto, o sistema de dois estágios também recupera energia no reator acidogênico RA-1 por meio da produção de hidrogênio com rendimento energético de 953 kJ.kg DQOrem-1 inferior as suas contrapartes metanogênicas, considerando a energia produzida pelo RA-1 de 1,9 MW com TCO removida de 5,7 kg DQO.m-3.dia-1. Entretanto, ao considerar o rendimento energético total do sistema de dois estágios é necessário considerar o processo global com a

DQO total que entra e saindo do sistema. Assim, ao considerar toda a DQO entrando e saindo do sistema, o rendimento energético global do sistema RA-1+RST-1 é na verdade apenas 2813 kJ.kg DQOrem-1, aproximadamente um quarto do rendimento energético do sistema de um estágio.

O principal motivo para um rendimento energético inferior na estimativa do sistema de dois estágios está no elevado volume necessário para o reator acidogênico. Apesar do hidrogênio ter elevada entalpia de combustão de 143 kJ.g-1 (HANS e KUMAR, 2019) o rendimento energético da acidogênese é inferior ao da metanogênese pois a maior parte da energia contida na matéria orgânica permanence no meio líquido na forma de metabólitos solúveis, que são convertidos a CH4 no estágio metanogênico. Dessa forma, os objetivos da separação em dois estágios devem ser: a degradação de substratos para o enriquecimento de ácidos orgânicos para conversão mais eficiente para metano no segundo estágio; e a recuperação do hidrogênio produzido no estágio acidogênico (RAJEDRAN et al., 2020). Portanto, ao projetar arranjos industriais de reatores anaeróbios é importante que o processo favoreça de maneira balanceada energeticamente a recuperação do hidrogênio e a produção de metano.

Avaliando a viabilidade energética do sistema de digestão anaeróbia de dois estágios em comparação com o sistema de um estágio para a mistura glicerol e soro de queijo, Lovato et al. (2020) observaram maior rendimento energético no sistema de um estágio (12.000 kJ.kg DQOrem-1) em comparação com dois estágios (7000 kJ.kg DQOrem-1). Os dois principais fatores responsabilizados por esse resultado foram: (i) o elevado rendimento de CH4 observado no sistema de um estágio (15,0 mol CH4.kg DQOrem-1) que teve diferença de apenas 10,3% do rendimento do sistema de dois estágios (16,5 mol CH4.kg DQOrem-1); (ii) maior fluxo de energia em menor volume (451,6 m3), sendo que o sistema de dois estágios teve maior soma total dos volumes dos reatores (598,8 m3). Dessa forma, o sistema de dois estágios consegue ter um rendimento energético maior somente se o sistema de um estágio apresentar baixo desempenho (MY menor que 8,8 mol CH4.kg DQOrem-1), 56% do rendimento teórico) devido cargas elevadas com componentes tóxicos e inibitórios.

Segundo Rajendran et al. (2020), o sistema de dois estágios pode não ser viável do ponto de vista econômico caso não existam vantagens o suficiente no menor volume de reator e maior produção de metano frente ao maior custo de implementação e a maior demanda de energia na operação de dois reatores no sistema de dois estágios. Dessa forma, apesar do sistema de dois estágios apresentar na escala de laboratório maior PVM em TCO duas vezes maior que o sistema de um estágio com rendimentos energéticos similares, o sistema RA-

1+RST-1 não obtem maior produção de energia que o reator RT-1 devido a falta de eficiência de produção de energia na integração entre o reator acidogênico e o reator metanogênico.

5.2 ESTUDO 2: COMPARAÇÃO DE REATORES METANOGÊNICOS