Metodologia de cálculo da pegada hídrica do FBR

A água é o elemento que fornece o ambiente físico para que as microalgas cresçam e se reproduzam. Para além disso, atua também como regulador térmico e é utilizada como meio para os nutrientes essenciais - dióxido de carbono, azoto, fósforo e outros - para a produção de biomassa microalgal.

A pegada hídrica da produção de biomassa microalgal seca é resultante da soma das pegadas hídricas das etapas do processo necessárias para elaborar o produto final pretendido, em que cada etapa ocorre num período específico do ano numa determinada bacia hidrográfica

Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas

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(Hoekstra et al., 2011). Como foi referido anteriormente, esta pode ser subdividida em três de pegadas distintas:

- Pegada hídrica azul (PHazul): para o cálculo desta pegada deve-se ter em conta a água que é

evaporada, incorporada no produto, ou quando não retorna à mesma bacia hidrográfica. O primeiro componente é o mais importante, pois a evaporação é equiparada ao consumo de água, pelo que deve ser considerada ao longo do ciclo do produto (armazenamento, processamento e lançamento para efluentes ou reciclagem). Porém, não se pode descurar os restantes componentes pois são igualmente importantes. A PHazul de um determinado processo

produtivo é calculado pela Equação 1.

PHazul = Evaporação da água azul + Incorporação da água azul + Fluxo de retorno perdido, (1)

[Volume/Tempo]

A última parcela, fluxo de retorno perdido, refere-se ao retorno de água indisponível, ou seja, que não retorna à mesma bacia, ou quando retorna, retorna num período diferente.

A reutilização da água para o mesmo propósito, ou possivelmente para outros fins, pode ajudar na redução da pegada hídrica azul de um processo apenas se houver uma redução efetiva do consumo de água. Por exemplo, reutilizar o efluente gerado num dos processos não provoca uma diminuição da pegada hídrica azul, mas se se reutilizar o vapor de água emitido há uma redução desta pegada.

- Pegada hídrica verde (PHverde): esta pegada é calculada pela Equação 2.

PHverde = Evaporação da água verde + Incorporação da água verde, [Volume/Tempo] (2)

A PHverde é especialmente importante para a produção de produtos agrícolas, sendo que o

consumo da água verde na agricultura pode ser traduzido num modelo de evapotranspiração das culturas, com base nos dados do clima, características do solo e da cultura.

Para o presente estudo, esta pegada não é contabilizada uma vez que o fotobioreator se encontra dentro de uma estufa e como se trata de um sistema de cultivo fechado, não há consumo de água da chuva nem evapotranspiração das culturas. A PHverde é mais usualmente

considerada em “open ponds”, que são sistemas abertos que estão expostos ao meio ambiente. - Pegada hídrica cinza (PHcinza): esta pegada é calculada pela Equação 3.

PHcinza =

L

Cmáx‐Cnat

, [Volume/Tempo]

(3) Em que L (expresso em massa/tempo), representativo da carga de um determinado poluente, é dividido pela diferença entre a concentração do padrão ambiental de qualidade da água definidos para esse mesmo poluente (a concentração máxima admitida, Cmáx, em

admitida, Cnat, em massa/volume). Os cálculos da PHcinza são realizados usando padrões de

qualidade da água às concentrações máximas permitidas por lei.

Uma forma de reduzir esta pegada é através da reciclagem e da reutilização da água das diferentes etapas do processo. Contudo, quando a empresa A4F recicla 90 % da água da etapa de cultivo esta é considerada no cálculo da PHazul e dado que a água do processo é tratada com

hipoclorito de sódio, para o caso em estudo também não é contabilizada a PHcinza uma vez que

não utilizam água doce para diluir possíveis poluentes. Esta pegada pode estar presente na construção dos materiais utilizados no FBR, contudo estes dados não se encontram na base de dados do Ecoinvent devido à determinação da pegada hídrica, recorrendo a estudos de ACV, serem ainda recentes.

O cálculo da pegada hídrica do fotobioreator (PHFBR) subdivide-se na pegada hídrica da

construção do FBR (PHFBR,const) e na pegada hídrica da operação e cultivo das microalgas

(PHFBR, oper/cult). Desta forma, o valor final desta pegada pode ser obtido pela Equação 4.

PHFBR = PHFBR,const + PHFBR, oper/cult, [Volume/Tempo] (4)

A pegada hídrica operacional do FBR (PHFBR,const) consiste no consumo de água para a produção

dos materiais usados na construção do FBR.

A pegada hídrica do FBR para a operação e cultivo das microalgas (PHFBR, oper/cult) é calculada

pela soma do consumo de água para produzir a energia elétrica necessária para operar o FBR, dos consumos diretos de água, que consistem na água introduzida no reator e a água usada para fazer a limpeza deste, e dos consumos indiretos de água, que consistem na água necessária para produzir o fertilizante, ou seja, os nutrientes usados no meio de cultura e o composto químico usado na descontaminação da água do processo.

3.1.2 Objetivo do estudo

O presente estudo tem como principal objetivo avaliar a pegada hídrica de um fotobioreator multitubular horizontal à escala piloto, instalado na empresa A4F. O estudo inclui as etapas de construção e operação do fotobioreactor, esta última coincidente com a etapa de cultivo de microalgas para a obtenção de biomassa microalgal. Portanto, a energia elétrica necessária para a recirculação e termorregulação da cultura também foi incluída no estudo da pegada hídrica. Na Tabela 4 encontram-se descritos os objetivos específicos da avaliação da pegada hídrica do fotobioreactor.

Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas

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Tabela 4 - Objetivos da avaliação da pegada hídrica do fotobioreactor.

Av ali ação d a p egad a h íd ri ca

Geral Identificar pontos críticos que permitam localizar exatamente onde a pegada hídrica tem maiores impactos ambientais; Estabelecer metas de redução quantitativa da pegada hídrica. Processo Considerar as etapas de construção e operação do

fotobioreator, sendo a etapa de operação coincidente com a etapa de cultivo de microalgas.

Produto Avaliar a pegada hídrica do fotobioreator à escala piloto instalado na empresa A4F.

3.1.3 Âmbito do estudo

O planeamento da contabilização da pegada hídrica deve ser claro e explícito em relação aos limites do sistema em estudo e como tal é importante considerar os seguintes aspetos:

- identificação da unidade funcional e da fronteira do sistema em estudo; - identificação da cobertura temporal e geográfica;

- identificação da(s) tecnologia(s) usada(s) ao longo do processo produtivo; - identificação da origem dos dados;

- descrição da metodologia de cálculo usada para a pegada hídrica do produto e da empresa. Relativamente ao modo de operação do FBR tubular horizontal em estudo, o período de cultivo das microalgas neste equipamento é de 330 dias por ano, 24 horas por dia, o que equivale a 7 920 horas por ano. O sistema opera em modo batch e a cada 30 dias é realizada uma colheita, sendo realizadas onze colheitas no decurso de um ano. A água do processo necessária para o cultivo das microalgas é renovada na sua totalidade de quatro em quatro meses, ou seja, três vezes durante um ano e nos restantes meses esta é reutilizada em 90 % após cada colheita por centrifugação. O processo de limpeza do reator ocorre sempre que há renovação total da água. Por último, este reator apresenta, em média, uma produção anual de biomassa seca de 73,92 kg/ano. Para este estudo de ACV, recorreu-se ao software SimaProTM _{7.3 para obter um}

conjunto de fatores de emissão baseado em dados de inventário dos materiais e energia utilizados na construção e operação do FBR, o mais completo possível e a avaliação do impacto foi realizada usando uma ferramenta de Excel.

3.1.4 Unidade funcional

Neste trabalho foi selecionada como unidade funcional (UF) um quilograma de biomassa seca produzida – 1 kg biomassa seca. Esta será a unidade funcional considerada na análise de inventário, para o cálculo de todos os dados de entrada e saída do sistema em estudo, permitindo comparar entre etapas do processo e resultados de outros estudos publicados na literatura.

3.1.5 Fronteira do sistema

As etapas do ciclo de vida da produção de microalgas estão representadas na Figura 4. Na horizontal encontram-se as etapas do ciclo de vida para se obter a biomassa microalgal, incluíndo a preparação do inóculo, cultivo, colheita e secagem da biomassa. Na vertical estão representadas as fases do ciclo de vida do fotobioreactor, das quais as consideradas na fronteira deste estudo são as etapas de construção e operação do fotobioreactor. A linha a tracejado representa a fronteira do sistema em estudo neste trabalho.

A fronteira do sistema, representado pela linha a tracejado, apenas inclui as etapas de construção e operação do fotobioreator à escala piloto uma vez que são as fases relevantes para o principal objectivo deste estudo, determinar a pegada hídrica do fotobioreactor. Na Figura 5 encontra-se um esquema mais pormenorizado dos processos unitários incluídos na fronteira do sistema em estudo, com as respetivas entradas (“inputs”) e saídas (“outputs”).

Figura 4 - Etapas do ciclo de vida do FBR (vertical) e da produção de microalgas (horizontal) e fronteira do sistema em estudo (linha tracejada).

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Figura 5 - Inputs e outputs considerados para a avaliação da pegada hídrica do fotobioreator multitubular horizontal.

Destacados a cor encontram-se os “inputs” e “outputs” de cada etapa do processo que foram considerados para avaliar a pegada hídrica do fotobioreator (FBR) fechado.

Para a etapa “Construção e implementação do FBR” consideraram-se todos os materiais envolvidos na construção da estrutura do reator, não incluindo o seu transporte.

O “input” considerado na etapa de operação do FBR é a energia elétrica necessária para operar o reator. Como tal, foi necessário contabilizar a energia consumida pela bomba hidropressora, responsável pela circulação do meio de cultivo, e a energia consumida na termorregulação da água do processo.

Para o cultivo das microalgas, os “inputs” considerados são:

- os consumos de água diretos, ou seja, a água introduzida no reator para o crescimento da cultura de microalgas,

- água consumida para a limpeza do mesmo e os

- consumos de água indiretos que envolvem a produção do fertilizante usado na preparação do meio de cultura, constituído pelos nutrientes fósforo, azoto, ferro e magnésio,

- água de preparação do hipoclorito de sódio usado como composto químico para a descontaminação da água do processo uma vez que esta advém da rede pública, e

- água do processo de produção do CO2 puro industrial de origem fóssil usado como fonte de

A evaporação da água do meio de cultura e a evapotranspiração das microalgas são dois termos considerados com valor nulo uma vez que se trata de um reactor fechado.

Da etapa de operação do FBR e cultivo de microalgas resulta o produto pretendido, a biomassa microalgal e uma pequena quantidade de água residual.

3.1.6 Cobertura temporal

A avaliação da pegada hídrica ao longo do tempo deve ser feita com cuidado, pois a utilização dos recursos hídricos podem variar ao longo de um ano e entre anos diferentes. Como tal, os anos de referência usados neste estudo, em relação aos quais foram recolhidos os dados primários da empresa A4F para a análise de inventário e efetuada uma média são: 2014, 2015 e 2016. Deste modo atenuam-se eventuais efeitos sazonais.

3.1.7 Cobertura geográfica

As instalações onde está localizado o FBR à escala piloto em estudo encontram-se na empresa A4F, situada no Campus do Lumiar em Lisboa (Figura 6).

A cidade de Lisboa é conhecida como uma das cidades com o clima mais ameno da Europa, cuja sua latitude a sul fornece um clima semelhante ao dos países mediterrânicos, enquanto o efeito moderador do Oceano Atlântico impede esta cidade de ser excessivamente quente no Verão e demasiado fria no Inverno. É também uma localidade bastante ensolarada, com cerca de 260 dias de sol por ano.

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3.1.8 Cobertura tecnológica

No presente estudo, para a etapa de operação do FBR e cultivo das microalgas são considerados os seguintes equipamentos:

- um fotobioreator multitubular horizontal com um volume útil de 1,5 m3 _{acoplado a um}

reservatório usado para armazenar a cultura de microalgas e promover a mistura e troca de gases CO2/O2,

- uma bomba hidropressora usada para promover a circulação da cultura, e

- uma serpentina que se encontra no interior do reservatório acoplado ao FBR, funcionando como permutador de calor, ligada a uma caldeira de vapor e a um compressor que são usados alternadamente para realizar a termorregulação da água do processo, consoante a informação dada por umas sondas que medem a temperatura e o pH no interior do FBR, sendo que água do meio de cultura deve encontrar-se a uma temperatura de 30 ºC e o pH entre 7 e 8.

Para a etapa de construção do FBR, apenas se considerou a pegada hídrica associada ao fabrico dos materiais de construção, excluíndo o seu transporte para o local de implantação do reactor. Considerou-se também que o tempo de vida útil do FBR é de 20 anos. Por isso, de modo a converter os valores de inventário desta etapa para uma base anual, dividiu-se a pegada hídrica da construção do reator por 20 anos.

No documento Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas (páginas 30-37)