SUMÁRIO
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.7 PARÂMETROS OPERACIONAIS E DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO
4.7.2 Indicadores Tecnológicos de Produção de Energia
4.7.2.4 Formulações dos Indicadores Tecnológicos
Com base nas vazões projetadas de cada arranjo para cada sistema de digestão, a estimativa do volume dos reatores de um estágio e de dois estágios foi feita utilizando a TCOREM. Esse parâmetro é importante mesmo para o reator acidogênico pois mantêm o fundamento da relação bioquímica e cinética observada nos ensaios experimentais. As equações 4.68, 4.69 e 4.70 são as equações de projeto dos respectivos reatores: metanogênicos de um estágio; acidogênicos e metanogênicos de segundo estágio.
(4.68)
(4.69) V RAIND Q ARA DQO ARA DQO ERA
TCO RemRA
Q ARA Q ARA
V RTIND Q A DQO A DQO E
TCO RemRT
Q A Q A
(4.70) sendo VRTIND o volume do reator industrial metanogênico de um estágio (m3), TCORemRT a taxa de carregamento orgânico removida no reator metanogênico de um estágio nas condições observadas no laboratório (kg DQO.m-3.dia-1), VRAIND o volume do reator industrial acidogênico (m3), TCORemRA a taxa de carregamento orgânico removida no reator acidogênico nas condições observadas no laboratório (kg DQO.m-3.dia-1), VRSIND o volume do reator industrial metanogênico de segundo estágio (m3) e TCORemRS a taxa de carregamento orgânico removida no reator metanogênico de segundo estágio (kg DQO.m-3.dia-1).
As vazões molares industriais de hidrogênio (ProdH) (equação 4.71) e de metano (ProdM) (equação 4.72) foram calculadas usando os volumes dos reatores industriais e os valores de HYRem e MYRem observados nos ensaios de laboratório para estimar a energia gerada por tempo (potência) pela combustão do hidrogênio (EH) e do metano (EM). Para o cálculo de energia gerada, foram utilizados os valores de poder calorífico inferior (PCI) do hidrogênio (241,8 kJ.mol-1 H2) na equação 4.73 e do metano (802,6 kJ.mol-1 CH4) na equação 4.74 (VOLPINI et al., 2018). O poder calorífico inferior é definido como a quantidade de energia liberada na forma de calor na combustão completa de uma quantidade definida de gás, mas com a água formada no estado gasoso, descontando do poder calorífico superior o calor latente de condensação da água.
(4.71)
(4.72a) A equação 4.72 escrita para o reator metanogênico de segundo estágio fica da seguinte forma:
(4.72b)
(4.73) E H Prod H Prod H PCI H
24 3600 1 dia s
Prod M TCO RemRS V RSIND V RSIND V RSIND MY Rem Prod M TCO RemRT V RTIND V RTIND MY Rem Prod H TCO RemRA V RAIND V RAIND HY Rem V RSIND Q ARS DQO ARS DQO ERS
TCO RemRS
Q ARS Q ARS
(4.74) Assim, as gerações de energia do sistema de um estágio e do sistema de dois estágios ficam:
(4.75)
(4.76) sendo ProdH a vazão molar diária de H2 do reator acidogênico industrial (mol H2.dia-1), ProdM a vazão molar diária de CH4 do reator metanogênico industrial de um estágio ou de segundo estágio (mol CH4.dia-1), EH a potência produzida pela combustão do hidrogênio (kW) e EM a potência produzida pela combustão do metano (kW), ERT a energia produzida pelo sistema de um estágio (kW) e E2S a potência produzida pelo sistema de dois estágios (kW). Atenção especial é dada para a conversão de unidades, pois deve-se mudar ProdH e ProdM de mol CH4.dia-1 para mol CH4.s-1 para que se possa calcular a potência gerada em kW.
Com base na energia por unidade de tempo produzida na digestão anaeróbia (E), é possível calcular alguns indicadores de produção de energia para referenciar de maneira adequada os resultados estimados. Entre estes indicadores estão quantos MWh por ano são produzidos, a energia produzida por volume total do sistema, a energia elétrica produzida por tonelada de cana-de-açúcar, quantos kWh são gerados por tonelada de cana e quantos habitantes a energia elétrica gerada pode sustentar. Os valores de energia produzida na digestão anaeróbia (E) podem ser convertidos para MWh.ano-1 pela seguinte forma:
(4.77) sendo E a potência produzida pela biodigestão em um ou em dois estágios (MW) e EMWh a energia produzida em MWh.ano-1, sendo que um ano é o número de dias da safra.
A energia produzida por volume total do sistema (EV) pode ser calculado pela equação 4.78.
(4.78) sendo VRIND a somatória dos volumes industriais dos reatores nos sistemas de um ou dois estágios (m3) e EV a potência produzida por volume total do sistema (W.m-3).
E MWh 3600 kJ 253 dias ano E EV E V RIND E E E 2S E H H E M E RT E M E M
A energia elétrica produzida por tonelada de cana-de-açúcar (MW.t cana-1) considerando a eficiência de conversão de energia elétrica ():
(4.79) sendo a eficiência de conversão de energia elétrica do gerador considerado (%) e ETC a energia elétrica produzida por tonelada de cana-de-açúcar (MW.t cana-1).
Para correlacionar quantos habitantes a energia elétrica gerada pode sustentar, é necessário determinar quantos kWh são gerados por tonelada de cana por mês e correlacionar com o gasto médio mensal per capita de 159 kWh por mês em 2018 (EPE, 2019). Esses cálculos são apresentados nas equações 4.80 e 4.81:
(4.80)
(4.81) sendo EEM a geração mensal de energia elétrica (kWh.mês-1) e HAB o número de habitantes que podem ser sustentados com a geração de energia elétrica (milhares de habitantes por safra).
De forma comparar a geração de energia entre o sistema de um estágio e o sistema de dois estágios, o rendimento energético pode ser calculado tanto por carga aplicada quanto por removida. O cálculo do rendimento energético por carga aplicada é interessante para determinar quanto de energia é gerada por quantidade de substrato alimentado, seja por DQO aplicada ou por volume de vinhaça alimentada, obtido ao multiplicar o rendimento energético por carga aplicada pela DQO da vinhaça bruta. Os cálculos dos rendimentos energéticos por carga aplicada para o reator metanogênico de estágio único, para o reator acidogênico, para o reator metanogênico de segundo estágio e para o sistema global de dois estágios são apresentados nas equações 4.82 a 4.85, respectivamente.
(4.82) HAB E EM 159 kWh mês E EM E EM E MWh 1 ano 253 dias 30 dias m ê s E MWh E TC E M CS E E
ART PMM PCI M V RTINDTCO ART V RTIND
(4.83)
(4.84)
(4.85) sendo ART o rendimento energético do reator metanogênico de um estágio por carga aplicada (J.g DQOAP-1), ARA o rendimento energético do reator acidogênico por carga aplicada (J.g DQOAP-1), ARS o rendimento energético do reator metanogênico de segundo estágio por carga aplicada (J.g DQOAP-1) e A2S o rendimento energético global do sistema de dois estágios por carga aplicada (J.g DQOAP-1).
Por outro lado, o real desempenho energético do reator é determinado pelo rendimento energético por carga removida, pois considera a cinética de degradação observada no reator ao utilizar a TCO removida. Além disso, deve ser considerado o rendimento energético total do sistema de dois estágios ao comparar com o estágio único, pois deve ser considerada toda a carga orgânica entrando e saindo de todo o sistema. Portanto, a comparação da eficiência de geração de energia entre os sistemas de um e dois estágios é feita utilizando esse indicador (LOVATO et al., 2019a; LOVATO et al., 2019b). Os cálculos dos rendimentos energéticos por carga removida para o reator metanogênico de estágio único, para o reator acidogênico, para o reator metanogênico de segundo estágio e para o sistema global de dois estágios são apresentados nas equações 4.86 a 4.89, respectivamente.
(4.86)
(4.87)
RemRA
PMH PCI H V RAIND TCO RemRA V RAIND
PMH PMH PMH
RemRT
PMM PCI M V RTIND TCO RemRT V RTIND
PMM PMM
A2S PMM PCI M V RSIND PMH PCI H V RAINDTCO ARS V RSIND TCO ARA V RAIND
PMM
ARS PMM PCI M V RSINDTCO ARS V RSIND
PMM
ARA PMH PCI H V RAIND TCO ARA V RAIND (4.88)
(4.89) sendo RemRT o rendimento energético do reator metanogênico de um estágio por carga removida (J.g DQO-1), RemRA o rendimento energético do reator acidogênico por carga removida (J.g DQO-1), RemRS o rendimento energético do reator metanogênico de segundo estágio por carga removida (J.g DQO-1) e Rem2S o rendimento energético global do sistema de dois estágios por carga removida (J.g DQO-1).
Utilizando a metodologia e os dados (Tabela 4.12) apresentados por Albanez et al. (2016b), é possível estimar a quantidade de cana-de-açúcar, etanol ou bagaço da usina que seria necessária para produzir a energia produzida pela digestão anaeróbia da vinhaça.
A massa de bagaço equivalente (MB) foi calculada dividindo a energia produzida pela biodigestão em um ou dois estágios (E) pelo poder calorífico inferior médio do bagaço com 50% de umidade (PCIB = 8918 kJ.kg-1). Essa razão teve que ser multiplicada pelo tempo de safra (tSafra) em segundos para manter a consistência das unidades.
(4.90) sendo MB a massa de bagaço necessária para gerar a energia produzida na biodigestão (kg), PCIB o poder calorífico inferior do bagaço (kJ.kg-1) e tSafra o tempo de duração da safra (segundos).
Analogamente, podem ser calculados o volume equivalente de etanol (VE) e a massa equivalente de cana-de-açúcar colhida (MC). No caso do etanol é usado o poder calorífico inferior (PCIEtOH = 26377 kJ.kg-1) e a sua densidade (EtOH = 789 kg.m-3). A massa da cana- de-açúcar foi calculada usando o poder calorífico inferior da cana-de-açúcar (PCIC = 4815 kJ.kg-1) considerando a composição de 55% de água, 32% bagaço (com 50% de umidade) e 13% sacarose (ALBANEZ et al., 2016b).
(4.91)
V E E
PCI EtOH EtOH t Safra
E M B E PCI B t Safra E
Rem2SPMM PCI M V RSIND PMH PCI H V RAIND TCO RemRS V RSIND TCO RemRA V RAIND
PMM PMM
RemRS
PMM PCI M V RSIND TCO RemRS V RSIND
(4.92) sendo VE o volume de etanol necessário para gerar a energia produzida na biodigestão (m3),
EtOH a densidade do etanol a 20 °C (kg.m-3), PCIEtOH o poder calorífico inferior do etanol (kJ.kg-1), MC é a massa equivalente de cana-de-açúcar para gerar a energia da biodigestão (t) e PCIC o poder calorífico inferior da cana-de-açúcar (kJ.kg-1).
Por fim, foi calculada a diminuição de custos (DC) mensais pela produção de energia obtida pelo sistema de digestão anaeróbia da vinhaça ao substituir os combustíveis fósseis usados na usina nas caldeiras industriais. Os combustíveis comumente usados são gás natural, óleo diesel e gás liquefeito de petróleo (GLP), podendo ser comparados pelos seus valores de PCI. A determinação da DC é apresentada na equação 4.88, sendo necessário o tempo de 1 mês em segundos. A Tabela 4.14 apresenta os valores PCI e os preços unitários () destes combustíveis.
(4.93) sendo DC a diminuição de custos por mês (US$.mês-1), o preço unitário do combustível de referência (US$.m-3), e PCI o poder calorífico inferior do referido combustível (kJ.m-3).
Tabela 4.14 – Preço unitário e PCI dos principais combustíveis fósseis. Fonte: EIA (2020) Combustível fóssil (US$.m-3) PCI (kJ.m-3)
Gás Natural 0,14 40,6·103
Óleo diesel 806 38,6·106
GLP 560 26,5·106
Com esse valor de DC é possível calcular indicadores tecnológicos que relacionam de maneira indireta o custo do projeto ou o custo de obtenção da matéria-prima. A diminuição de custos por volume de reator (DCV) é um indicador que determina indiretamente o retorno máximo em função dos custos de implementação do projeto, pois quanto maior o volume do reator, mais cara a sua construção (equações 4.94 e 4.95). Por outro lado, a diminuição de custos por tonelada de cana-de-açúcar (DCT) ilustra o quanto de retorno a digestão anaeróbia da vinhaça pode fornecer para cada tonelada de cana-de-açúcar processada, que é o insumo base de toda a cadeia sucroenergética (equação 4.96).
DC E 2592 10 6 s PCI E M C E PCI C t Safra E
(4.94)
(4.95)
(4.96) sendo DCRT a diminuição de custos por mês do sistema de um estágio (US$.mês-1), DCVRT a diminuição de custos por mês por volume do sistema de um estágio (US$.mês-1.m-3), DC2S a diminuição de custos por mês do sistema de dois estágios (US$.mês-1), DCV2S a diminuição de custos por mês por volume do sistema de dois estágios (US$.mês-1.m-3), MCS a massa de cana-de-açúcar (em toneladas) colhida em uma safra (Tabela 4.12) e DCT a diminuição de custos do sistema de um ou dois estágios por tonelada de cana (US$. t cana-1). Importante ressaltar que é necessário converter para o período de uma safra para dividir o valor de DC por MCS.
No caso da vinhaça concentrada, também foi calculado o gasto de energia para concentrar a vinhaça bruta (30.734 mg DQO.L-1) para a vinhaça apresentada na Tabela 4.4 (100.615 mg DQO.L-1) por evaporação. Para isso, foi realizado o balanço de massa nas equações 4.97 e 4.98 para determinar a vazão de vapor (QVAP) e o balanço de energia na equação 4.99 para determinar a energia gasta no evaporador (EEV). A geração líquida de energia é determinada pela equação 4.100.
(4.97)
(4.98)
(4.99)
(4.100) E EV
Vin Q Vin
T Eb T Vin
VAP VAP
1 dia 24 3600 s
Vin Vin C pVinVin Q Vin Vin Q VC m VAP
Vin Q Vin
E VC E E EV E EV E EV E EV
Q Vin DQO Vin Q VC DQO VC Q Vin DQO Vin
DCT DC 12 M CS DC DCV 2S DC 2S V RAIND V RSIND DC 2S DCV RT DC RT V RTIND DC RT DC RT
sendo QVC a vazão da vinhaça concentrada (m3.dia-1), DQOVC a DQO da vinhaça concentrada (100.6156 mg DQO.L-1), Vin a densidade da vinhaça (1031 kg.m-3) (PARSAEE et al., 2019), EEV é a potência necessária no evaporador (kW), CpVin é a capacidade térmica da vinhaça de cana-de-açúcar (3,91 kJ.kg-1.K-1), TEb é a temperatura de ebulição da vinhaça (373,75 K) (PARSAEE et al., 2019), TVin é a temperatura da vinhaça (358,15 K) (MORAES et al., 2015a), VAP é a vazão mássica de valor gerado no evaporador (kg.dia-1), VAP é o calor latente do vapor de água (2257 kJ.kg-1) e EVC é a geração líquida de potência pela digestão anaeróbia da vinhaça concentrada (kW).
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção são apresentados os resultados dos estudos: 1 Produção termofílica de hidrogênio e metano a partir de vinhaça de cana-de-açúcar em sistema de dois estágios em reatores anaeróbios de leito fluidizado; 2 Comparação de reatores metanogênicos de segundo estágio mesofílico e termofílico na digestão anaeróbia de vinhaça de cana-de-açúcar em reatores anaeróbios de leito fluidizado.
O estudo 1 compreendeu os reatores RA-1, RST-1 e RT-1. Foi avaliado o efeito da variação do TDH aplicado (18 h a 10 h) ao reator RST-1 na produção de metano e hidrogênio em dois estágios em comparação com a produção em um estágio (RT-1). Os reatores foram operados na DQO de 10 g.L-1.
No estudo 2, os reatores utilizados compreenderam o RA-2, RST-2, RSM-2 e RT-2. Avaliou-se o efeito da TCO aplicada por meio da variação da DQO (2 a 20 g.L-1) na produção de metano e hidrogênio em dois estágios em condições mesofílicas (RSM-2) e termofílicas (RST-2). Além disso, comparou-se o sistema de dois estágios com a produção de metano em um estágio no reator RT-2.