ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
Limpeza e Purificação de Biogás
Cláudio Alexandre Batista Veloso e Silva
ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
Limpeza e Purificação de Biogás
Cláudio Alexandre Batista Veloso e Silva
Às minhas manas, Solange e Vanda… Continuem sempre assim…
À minha querida Martha, Obrigado por toda a paciência dedicação e compreensão… Obrigado por seres “assim” tão especial…
que sempre demonstrou durante a realização deste trabalho, pelos comentários sempre oportunos e pela completa disponibilidade que sempre demonstrou.
Ao Prof. Doutor Amadeu Borges, que sempre que possível se mostrou disponível para aconselhamento e esclarecimento de todas as dúvidas existentes durante a realização deste trabalho.
Á Suldouro, por fornecimento de material, o qual permitiu valorizar de forma significativa o presente trabalho.
A todos os Professores do Departamento de Engenharia Mecânica, pelo exemplo e pela sua excelente relação com os alunos.
A todos os colegas e amigos que ajudaram de forma directa ou indirecta na realização do presente trabalho.
A intensa participação das fontes não renováveis na oferta mundial de energia constitui um desafio para a sociedade, na busca por fontes alternativas de energia. E isso não pode demorar a ocorrer, sob o risco de o mundo, literalmente, entrar em colapso, pelo menos se for mantido o actual modelo de desenvolvimento, em que o petróleo tem uma importância vital. Actualmente, despontam novas fontes de energia que poderão, no futuro, desempenhar o papel que o petróleo desempenhou até o momento, tais como: a energia solar, o hidrogénio, a eólica, a biomassa, biogás, entre outras. Uma das formas mais interessantes é a utilização do biogás como fonte alternativa de energia, principalmente em pólos agro-pecuários, aterros, etar’s, nos quais, há uma imensa disponibilidade de resíduos que poderiam ser transformados em bioenergia, reduzindo, assim, os custos de produção e os impactos ambientais gerados pelo despejo directo desses resíduos na natureza. Nestes sistemas, existem diversas formas de aproveitamento do biogás tanto na geração de calor quanto na geração de energia eléctrica, em conjuntos motogerador. Entretanto, necessita-se de um maior desenvolvimento tecnológico no sentido de um melhor aproveitamento e melhoria da eficiência durante o uso do biogás. Uma das formas utilizadas para melhoria do aproveitamento do biogás consiste em eliminar da sua composição substâncias corrosivas, como o ácido sulfídrico e que reduzam o poder calorífico, como o CO2
(dióxido de carbono). Para uma maior eficiência e rentabilidade da utilização desta fonte de energia renovável, é necessário saber qual a sua utilização final, para desta forma se poder seleccionar um dos processos de purificação e limpeza que seja o mais adequado.
challenge to society in the search for alternative energy sources. This fact can not take the place, under the risk of the world, literally go into collapse, at least currently, were the development model shows the oil as vital. Today, new sources of energy emerge, for the future to play the role of oil, such as solar energy, hydrogen, wind, biomass, biogas, among others. One of the most interesting of these sources it’s the use of biogas as an alternative source of energy, especially in agro-livestock centers, landfills, where there is a huge availability of waste that could be turned into bioenergy, reducing the costs of production and environmental impacts generated by the direct dumping of waste in nature. In these systems, there are various forms of exploitation of biogas to generate heat as well as to generate electricity in generator. However, need is a further technological development towards a better recovery and improved efficiency in the use of biogas. One of the ways used to improve the use of biogas is to eliminate the composition of corrosive substances such as hydrogen sulphide that reduce the calorific value of biogás, such as CO2(carbon dioxide).
For greater efficiency and profitability of the use of this renewable energy source, we must know what their purpose, thus being able to select one of the processes of purification and cleansing that is most appropriate.
Agradecimentos...i
Resumo...ii
Abstract ...iii
Índice ...iv
Índice de tabelas...vii
Índice de figuras...viii
Capítulo 1
Politicas de Renováveis e Biogás...1
1.1 Directiva 55/2003... 3 1.2 Objectivos para 2020... 4 1.3 Objectivos... 6 1.4 Conteúdo do trabalho... 6
Capítulo 2
Bio-recursos...8
2.1 Biomassa animal... 9 2.2 Biomassa florestal... 10 2.3 Biomassa agrícola... 102.4 Biomassa do sector pesqueiro... 11
Capítulo 3
Biodigestores...12
3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo não contínuo... 19
Capítulo 4
Biodigestão...21
4.1 Fases da digestão anaeróbia... 23
4.1.1 Hidrólise... 23
4.1.2 Acidogênese... 23
4.1.3 Acetogênese... 24
4.1.4 Metanogênese... 25
4.2 Estudos referentes á digestão anaeróbia... 27
Capítulo 5
Biogás...28
5.1 Biogás de aterro... 31
5.2 Biogás de etar... 37
5.3 Biogás de explorações agro-pecuárias... 38
5.4 Biogás de CVO... 39
5.5 Produção de biogás... 39
5.6 Aproveitamento de biogás e sua valorização... 40
5.6.1 Energia injectada na rede nacional de energia eléctrica... 41
5.6.2 Biometano injectado na rede nacional de gás natural... 42
5.6.3 Biogás liquefeito para utilização em veículos adaptados... 47
5.7 Entidades envolvidas na produção e distribuição do biometano... 51
5.7.1 Fornecimento de biomassa... 52
5.7.2 Produção de Biogás... 52
Capítulo 6
Processos de purificação de biogás...57
6.1 Purificação por membrana... 58
6.2 Purificação utilizando WS... 59
6.3 Purificação utilizando PSA... 60
6.4 Purificação utilizando tecnologia criogénica... 62
6.5 Purificação utilizando CO2Wash... 65
Capítulo 7
Caso de estudo...70
7.1 Requisitos para CVO... 70
7.2 Proposta de instalação... 72
7.3 Estudo de viabilidade... 82
7.3.1 Custo de produção do biogás... 82
7.3.2 Investimento... 83
7.3.3 Venda de Biometano... 84
Capítulo 8
Conclusões...86
Tabela 2 - Potencial disponível de biomassa florestal em Portugal... 10
Tabela 3 - Energia potencial contida em resíduos agrícolas em Portugal. ... 11
Tabela 4 - Desenvolvimento histórico da tecnologia de biodigestão anaeróbia. ... 27
Tabela 5 - Composição química do biogás típico. ... 28
Tabela 6 - Composição de biogás de diferentes fontes... 30
Tabela 7 - Relação comparativa de 1m3de biogás com combustíveis usuais... 30
Tabela 8 - Contribuição do biogás para o efeito de estufa. ... 36
Tabela 9 - Necessidade de remoção de gases e de outros componentes do biogás... 41
Tabela 10 - Estado da utilização e abastecimento de LBG em veículos. ... 51
Tabela 11 - Empresas nacionais a operar no SNGN. ... 54
Tabela 12 - Temperaturas de condensação à pressão atmosférica, para os diferentes constituintes do biogás... 63
Tabela 13 - Garantias de produção e composição do biogás. ... 71
Tabela 14 - Tarifa paga mediante a finalidade do biogás. ... 87
Figura 1 - Montagem de um biodigestor. ... 13
Figura 2 - Biodigestor em funcionamento. ... 13
Figura 3 - Esquema biodigestor, ... 14
Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. ... 16
Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano... 17
Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chinês. ... 18
Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chinês. ... 19
Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada... 20
Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada... 20
Figura 10 - Processo de digestão anaeróbia. ... 21
Figura 11 - Esquema da digestão anaeróbia da matéria orgânica... 22
Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitário... 32
Figura 13 - Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário. ... 33
Figura 14, Recolha de biogás nos poços de drenagem. ... 33
Figura 15 - Rede de colecta de biogás. ... 34
Figura 16 - Grupo de geradores a biogás... 35
Figura 17 - Diagrama de um sistema de cogeração... 37
Figura 18 - Grupo motogerador a biogás... 38
Figura 19 - Sistema nacional de gás natural (SNGN). ... 43
Figura 24 - Produção de biogás na Europa. ... 55
Figura 25 - Centrais de purificação de biogás com injecção na rede de Gás natural na Europa. ... 56
Figura 26 - Esquema de um filtro de membrana. ... 59
Figura 27 - Esquema de purificação (Water scrubbin). ... 60
Figura 28 - Esquema de captação de impurezas do biogás PSA (Pressure Swing Adsorption). ... 61
Figura 29 - Esquema de purificação PSA (Pressure Swing Adsorption). ... 62
Figura 30 - Esquema de purificação (CBG & LBG Cryogenic technology) ... 64
Figura 31 - Esquema de purificação (CO2Wash)... 65
Figura 32 - Comparação da perda de CH4em processos de purificação... 68
Figura 33 - Poupança de Energia (%) utilizando Cryogenic Technology. ... 69
Figura 34 - Localização da implementação da CVO no aterro de Sermonde. ... 70
Figura 35 - Unidade de enriquecimento de biogás, BGA 500. ... 81
Capítulo 1
Politicas de Renováveis e Biogás
Após a ratificação do Protocolo de Quioto, onde assumiu o compromisso de reduzir a emissão de gases que contribuem para o efeito de estufa, a União Europeia fixou como objectivo duplicar, no espaço de dez anos, a quota de utilização de energias renováveis. Estabeleceu, deste modo, as seguintes metas indicativas globais para a produção de energia, em 2010, a partir de fontes renováveis:
12% do consumo nacional bruto de energia; 22,1% da electricidade produzida.
Como o potencial de exploração de fontes de energia renováveis não se encontra suficientemente aproveitado na União Europeia, esta reconhece, através da Directiva 2001/77/CE, a necessidade de se promover à sua produção, tanto mais que essa exploração contribui para a protecção do ambiente e o desenvolvimento sustentável. Além disso, a exploração dessas energias pode gerar novos postos de trabalho a nível local (e, por essa via, apresentar impactos positivos ao nível da coesão económica, social e territorial), contribuir para a segurança do abastecimento, tornando, então, possível a consecução dos objectivos estabelecidos em Quioto. Assim sendo, cada Estado Membro deve tomar as medidas apropriadas para promover o aumento do consumo de electricidade produzida a partir de fontes de energia renováveis.
Por sua vez, em 2003, a Directiva 2003/30/CE – relativa à promoção da utilização de biocombustíveis ou de outros combustíveis renováveis nos transportes, considera que os Estados Membros deverão assegurar a colocação nos seus mercados de uma proporção mínima de biocombustíveis e de outros combustíveis renováveis e estabelece, mesmo, metas indicativas para esse efeito:
Até 2005 – 2% de toda a gasolina e gasóleo utilizados ao nível dos transportes; Até final 2010 – 5,75% de toda a gasolina e gasóleo utilizados para efeitos de
transportes.
Ficaram, desta forma, estabelecidos objectivos concretos no que respeita à produção de energia eléctrica e de biocombustíveis. Tendo em vista, por outro lado, a diminuição das emissões de CO2, a União Europeia comprometeu-se a reduzir em 8%, em relação ao
nível de 1990, estas emissões no período compreendido entre 2008 e 2012 e, através dessa redução, vir a atingir os objectivos a que se propôs aquando da ratificação do protocolo de Quioto.
O aumento da utilização de energias renováveis é imprescindível, não só por questões de natureza ambiental, mas também, de natureza económica. É nesse sentido que a utilização da biomassa, como fonte de energia, deve ser equacionada e fomentada, pois, para além de, por essa via, se incrementar o aparecimento e desenvolvimento de empresas locais, o que constitui uma fonte de rendimento alternativa (Direcção regional de agricultura entre Douro e Minho).
O Parlamento Europeu já tinha exigido, no contexto da adopção das duas directivas relativas à concretização do mercado interno da energia (Directiva 54/2003 e Directiva 55/2003), que a abertura total dos mercados energéticos fosse complementada obrigatoriamente por medidas do lado da procura. Por isso, a proposta da Comissão em apreço tem de ser encarada como parte de uma série de medidas legislativas no domínio da política energética, cujo objectivo consiste, em última análise, garantir o aprovisionamento energético na Europa.
Além das duas directivas mencionadas, relativas ao mercado interno da energia, estas medidas incluem diversos actos jurídicos que visam o melhoramento da eficiência energética, como, por exemplo, a Directiva relativa à cogeração, a Directiva relativa à melhoria do rendimento energético em edifícios, a proposta da denominada Directiva
final de energia e aos serviços energéticos, assim como a Directiva 2001/77/CE, relativa à promoção da electricidade produzida a partir de fontes de energia renováveis no mercado interno da electricidade. Para se alcançarem os objectivos estabelecidos para as energias renováveis na Directiva 2001/77/CE até 2010 e um objectivo de 20 % de energias renováveis no consumo total de energia da UE no ano 2020, é imprescindível actuar também no domínio da eficiência energética e da poupança de energia. O presente projecto de directiva representa um contributo importante para a consecução dos objectivos do Protocolo de Quioto, (Comissão da Indústria, do Comércio Externo, da Investigação e da Energia).
Tendo em conta todos os objectivos impostos e propostos por Portugal, a produção de biometano é uma solução que, para além de diminuir significativamente a emissão de CH4 para a atmosfera, originada pela decomposição não controlada de
resíduos orgânicos, faz o seu aproveitamento energético através da captação do CH4.
Assim sendo, há a necessidade de proporcionar a esta forma de aproveitamento energético todas as condições possíveis para a sua exploração, sem discriminação.
1.1 Directiva 55/2003
Os Estados-Membros deverão garantir que, tendo em conta as necessárias exigências de qualidade, o biogás e o gás proveniente da biomassa ou outros tipos de gás beneficiem de acesso não discriminatório à rede de gás, desde que esse acesso seja permanentemente compatível com a regulamentação técnica e as normas de segurança relevantes.
Essa regulamentação e normas devem garantir que os referidos gases possam ser injectados e transportados na rede de gás natural, do ponto de vista técnico e de segurança, e devem abranger igualmente as características químicas desses gases, (Directiva 55/2003/CE).
1.2 Objectivos para 2020
A decisão do Conselho Europeu, de Março de 2007, de fixar objectivos precisos juridicamente vinculativos traduz de forma clara a determinação da União Europeia. Esta decisão não foi tomada de ânimo leve, uma vez que a procura de soluções adequadas condiciona a prosperidade da economia europeia. Dispomos hoje de provas irrefutáveis de que os custos da inacção seriam devastadores para a economia mundial, dado que acarretariam uma perda do PIB mundial compreendida entre 5 e 20%, segundo dados do Relatório Stern2. Paralelamente, os recentes aumentos dos preços do petróleo e do gás evidenciaram a que ponto a concorrência no sector energético está a aumentar de ano para ano e que a eficiência energética e as energias renováveis podem constituir investimentos rentáveis. É neste contexto que se inscreve a decisão dos responsáveis da UE de se comprometerem a transformar a economia europeia, desafio que pressupõe importantes esforços políticos, sociais e económicos.
Simultaneamente, a mudança pode servir de trampolim para a modernização da economia europeia, orientando-a para a construção de um futuro no qual as tecnologias e a sociedade estejam adaptadas às novas necessidades e no qual sejam criadas novas oportunidades de crescimento e de emprego.
O Conselho Europeu fixou dois objectivos principais:
Reduzir, até 2020, as emissões de gases com efeito de estufa, G.E.E., em pelo menos 20%, aumentando até 30% caso se obtenha um acordo internacional que vincule outros países desenvolvidos a "atingir reduções de emissões comparáveis, e os países em desenvolvimento economicamente mais avançados contribuam adequadamente, de acordo com as suas responsabilidades e respectivas capacidades".
O Conselho Europeu acordou que a melhor forma de atingir objectivos tão ambiciosos consiste em assegurar que cada Estado-Membro saiba exactamente o que se espera e que os objectivos sejam juridicamente vinculativos. Tal permitirá accionar plenamente os mecanismos públicos e dar ao sector privado uma confiança a longo prazo, indispensável à realização dos investimentos necessários para converter a Europa numa economia de baixo teor de carbono e com uma elevada eficiência energética. A determinação de que deu provas o Conselho Europeu mostrou aos nossos parceiros internacionais que a UE está verdadeiramente decidida a passar da palavra à acção. Esta estratégia deu os seus frutos na Conferência das Nações Unidas sobre alterações climáticas realizada em Bali, em Dezembro de 2007, na qual a União Europeia desempenhou um papel essencial na obtenção de um acordo sobre o roteiro, que visa conseguir, até 2009, um novo acordo global sobre a redução de emissões.
Esta situação veio reforçar a determinação da EU de avançar com o seu compromisso de luta contra as alterações climáticas, para mostrar que está disposta a dar força à sua convicção de que os países desenvolvidos podem e devem comprometer-se a reduzir em 30% o nível das suas emissões até 2020. A UE deverá continuar a assumir uma posição de liderança na negociação de um acordo internacional ambicioso, (COM, 2008).
A produção de biogás, poderá representar uma ajuda importante no que se refere às políticas de eficiência energética e redução de emissões de G.E.E., para que Portugal atinja com sucesso as metas a que se propôs.
Através do seu aproveitamento energético, atenua-se significativamente as emissões de G.E.E., tais como CH4, CO2, e diminui-se ainda a necessidade de consumo de
combustíveis tradicionais.
Assim sendo, verifica-se que o aproveitamento energético de resíduos orgânicos para produção de biometano é, sem dúvida um caminho com elevado potencial que deverá ser explorado.
1.3 Objectivos
O objectivo do presente Trabalho é avaliar e dar a conhecer as potencialidades presentes nos resíduos orgânicos provenientes de diversas fontes, das quais há a possibilidade de se extrair gás combustível, denominado de biogás. Em alguns países da EU, à muito que esta fonte de energia, considerada renovável, é aproveitada, o que demonstra o significativo avanço destes países em relação a Portugal. É sabido que Portugal, apenas recentemente começou a fazer o aproveitamento de biogás, em grande escala, resultante da decomposição de resíduos provenientes de Aterros, Etar’s e explorações Agro-pecuárias. Embora actualmente, já se verifica um maior interesse pelo desenvolvimento de novas tecnologias e de implementação de estações de captação, tratamento e distribuição de biogás, a nível nacional.
Desta forma, tendo como objectivo informar e sensibilizar a população em geral, os interessados do sector, bem como potenciais investidores, para as potencialidades desta fonte de energia renovável, evidenciando as vantagens e as possibilidades desta aplicação. Será efectuada uma descrição acerca das potencialidades do biogás, do que já é feito no resto do mundo para o seu aproveitamento, tendo em conta a proveniência e tratamento de resíduos, tecnologias de captação, limpeza e purificação do Biogás, bem como a finalidade desta fonte de energia renovável.
1.4 Conteúdo do trabalho
O presente trabalho divide-se em 8 (oito) capítulos, incluindo este de Introdução, com o objectivo de dar a conhecer as políticas energéticas adoptadas pela União Europeia, bem como por Portugal. Políticas essas, que possibilitam a que se atinjam as metas impostas na redução de emissões de G.E.E., bem como no consumo de combustíveis tradicionais.
O Capítulo 2 faz uma descrição acerca da variedade de bio-recursos que têm viabilidade para produção de biogás. São apresentados breves de resumos dos vários sectores, bem como quantidades disponíveis biomassa em Portugal.
O Capítulo 3 dá a conhecer a diversidade de biodigestores utilizados na produção de biogás. Desta forma, é descrito cada um deles isoladamente, salientando características e qual a sua melhor aplicação.
O Capítulo 4 descreve sucintamente todo o processo de digestão anaeróbia, isolando cada um dos seus passos, para uma melhor compreensão acerca desta transformação.
O Capítulo 5 explica o que é o biogás, dando a conhecer a sua composição típica. É descrito o processo de produção de biogás, tendo em conta a sua proveniência, bem como as possibilidades do seu aproveitamento energético. É efectuada uma breve apresentação da produção de biogás na Europa. É ainda apresentada uma breve descrição acerca das entidades envolvidas na produção e distribuição de biometano.
O capítulo 6 descreve pormenorizadamente os processos de limpeza e purificação mais utilizados em grande escala. É apresentado, a título de curiosidade um estudo comparativo de processos de limpeza e purificação, mostrando as perdas de CH4
bem como eficiência energética.
O Capítulo 7 apresenta um caso de estudo de uma CVO, com uma proposta de equipamento para limpeza e purificação de biometano para posterior injecção na rede de gás natural. É ainda efectuado um estudo de viabilidade económica para este caso prático.
Capítulo 2
Bio-recursos
Os possíveis resíduos a ser utilizados, geralmente denominados de biomassa, podem ser quaisquer materiais passíveis de serem decompostos por causas biológicas, ou seja, pela acção de diferentes tipos de bactérias. A biomassa decomposta sob a acção de bactérias metanogénicas, (produtoras de metano), produz biogás em maior ou menor quantidade, em virtude de diversos factores, tais como: temperatura, nível de ph, relação Carbono/Nitrogénio, presença ou não de oxigénio, nível de humidade, quantidade de bactérias por volume de biomassa, entre outros. A matéria orgânica a ser decomposta existe em quantidades abundantes, em todos os lugares do planeta, existindo uma grande concentração de seres vivos, (tanto vegetais como animais), haverá necessariamente uma quantidade significativa de biomassa disponível.
A biomassa pode ser constituída por apenas um ou um conjunto de resíduos, tais como:
Madeira e seus resíduos;
Resíduos agrícolas e/ou florestais; Resíduos municipais sólidos; Resíduos de animais;
Resíduos de produção alimentar; Plantas aquáticas e algas.
É de grande importância salientar que diferentes resíduos originam diferentes quantidades de biogás.
Em Portugal os sectores que dão origem a quantidades avultadas de resíduos adequados ao processo da digestão anaeróbia são os da agro-pecuária, os resíduos sólidos urbanos, as lamas das estações de tratamento dos esgotos domésticos e os efluentes da indústria alimentar e seus derivados.
2.1 Biomassa animal
Na tabela 1 é apresentado o potencial energético máximo de biomassa animal, ou seja proveniente do sector da agro-pecuária.
Tabela 1 - Potencial energético máximo de biomassa animal em Portugal.
Espécie Efectivo Pecuário (103 cab.) Biogás/ano (103m3) 10 6 Kcal 103tep 103Kw Suinicultura 2 365 110 000 572 000 52 379 Matadouros Suínos 1 000 6 000 31 200 3 184 Bovinicultura 1 324 386 608 2 010 362 183 11 877 Avicultura 37 908 78 433 407 850 37 2 410 TOTAIS 581 041 3 021 412 275 17 851
(Fonte: Suínos e matadouros de suínos - DGV; Restantes espécies RGA99)
Segundo um estudo efectuado pela DGV, Representado na tabela 5, estima-se em 275 000tep, tonelada equivalente de petróleo, o potencial energético teórico máximo em biomassa animal, resultante do aproveitamento integral dos efluentes do efectivo pecuário total estabulado/sem terra (suínos, aves, bovinos) bem como dos matadouros de suínos, existentes no país.
2.2 Biomassa florestal
Sobre o aproveitamento de biomassa florestal para fins energéticos, alguns estudos concluíram que apesar da abundância do recurso (38% do território nacional é coberto pela floresta), existe dificuldade em conseguir a sua concretização, fundamentalmente por razões sociais, económicas e técnicas. No entanto, é reconhecida a importância deste recurso endógeno para aproveitamento energético, susceptível de um óbvio interesse comercial e oportunidades de negócio. Acresce que a actual política de defesa da floresta contra os incêndios e até mesmo a ocorrência de incêndios florestais no nosso país, sustentam, por um lado, a existência de mercado para a biomassa florestal.
A tabela 2 mostra o potencial disponível de biomassa florestal em Portugal, que pode ser aproveitado para geração de energia.
Tabela 2 - Potencial disponível de biomassa florestal em Portugal.
Tipo de floresta Quantidade
[milhões de ton/ano] Matos 0,6 Biomassa proveniente de áreas ardidas 0,4 Ramos e Bicadas 1,0 Industria Transformadora da Madeira 0,2 Total 2,2 (Fonte: http://www.igm.ineti.pt) 2.3 Biomassa agrícola
Através da análise da tabela 3, é possível ficar com uma ideia acerca da energia potencial disponível em resíduos agrícolas em Portugal.
Tabela 3 - Energia potencial contida em resíduos agrícolas em Portugal.
Tipo Energia (Joules1015) Álcool equivalente (106litros) Energia (kWh 109) Palha de cereal 5,4 227 270 1,5 Bagaços de azeitona 0,6 25 250 0,17
Resíduos de podas de vinha, fruteiras e oliveira 8,5 357 740 2,4 Resíduo da amêndoa e da vinificação 1,8 75 760 0,5
Total 16,3 686 020 4,5
(Fonte: NUTEK, Swedish National Board for Industrial and Technical Development, 1993. Forecast for biofuel trade in Europe. The Swedish market in 2000 – Stockolm)
2.4 Biomassa do sector pesqueiro
Em termos de oferta, na situação actual e a curto prazo, deverá ser encarada a possibilidade de aproveitamento dos resíduos e desperdícios de produtos da pesca e aquicultura, não destinados a farinhas e óleos de peixe, para a produção de biogás, através da sua digestão anaeróbia.
Se do ponto de vista tecnológico não subsistem dúvidas quanto aos resultados positivos de tal aproveitamento, a que acresce referir a atenuação dos problemas de ordem ambiental associados à degradação dos resíduos. Para se concluir da sua viabilidade económica, teriam que se pronunciar os industriais de conservas e de processamento de peixe a operar em Portugal.
Uma vez que não existe uma grande divulgação de dados acerca da possibilidade de aproveitamento energético de biomassa proveniente do sector pesqueiro, não é apresentada nenhuma estimativa acerca da quantidade de energia possível de aproveitar.
Capítulo 3
Biodigestores
O local onde se desenvolvem as reacções de decomposição da já referida biomassa, denomina-se de digestor ou biodigestor. Tendo este a possibilidade de operar de modo contínuo, isto é, sendo alimentado de matéria orgânica durante o funcionamento, simultaneamente à retirada de produto de composto, ou em batelada, que é carregado apenas uma vez, no início do período de funcionamento, sendo descarregado quando a produção de gás acabar ou atingir níveis muito baixos (NOGUEIRA, 1986).
A composição do biogás obtido por biodigestão varia de acordo com as características do resíduo e as condições de funcionamento do processo de digestão. No entanto podemos estimar a sua composição como sendo cerca de 60% de Metano, 20% de Dióxido de carbono, vestígios de Sulfitos de Hidrogénio e vapor de água. Para que o biogás possa ser utilizado como combustível é necessário identificar a sua composição química e o seu poder calorífico. Estes parâmetros determinam o real potencial de geração de energia, além de permitir também dimensionar os processos de pré-tratamento do biogás, com o propósito de evitar danos nos equipamentos e também aumentar o seu poder calorífico.
A caracterização dos resíduos será um aspecto de grande relevância, uma vez que a qualidade e o potencial de produção de biogás depende directamente do tipo de matéria orgânica disponível.
A qualidade e o potencial da produção de biogás dependem também do tipo de equipamento utilizado no processo de biodigestão. Assim, será também necessário
quantidade do biogás produzido, melhorando as suas propriedades de acordo com a sua posterior utilização.
Um biodigestor, (Figura 1 e Figura 2), compõe-se, basicamente por uma câmara fechada, na qual a biomassa é fermentada anaerobicamente, isto é, sem a presença de oxigénio. Como resultado desta fermentação ocorrem a libertação de biogás e há a possibilidade de aproveitamento dos resíduos como bio-fertilizantes. É possível, portanto, definir biodigestor como um aparelho destinado a conter a biomassa e seu produto. A sua função é fornecer as condições propícias para que um grupo especial de bactérias, as metanogénicas, degrade o material orgânico, com a consequente liberação do gás.
Figura 1 - Montagem de um biodigestor. (Fonte: www.estadao.com.br/noticias)
Existem vários tipos de biodigestor, mas, em geral, todos são compostos, basicamente, por duas partes: um recipiente, (tanque), para abrigar e permitir a digestão da biomassa, e o gasómetro, (campânula), para armazenar o biogás, como se pode verificar através do esquema representado pela figura 3.
Em relação ao abastecimento de biomassa, o biodigestor pode ser classificado como contínuo, abastecimento diário de biomassa, com descarga proporcional à entrada de biomassa, ou intermitente, quando utiliza a sua capacidade máxima de armazenamento de biomassa, retendo-a até efectuar a completa biodigestão.
Biodigestor anaeróbio;
O biodigestor anaeróbio é um equipamento usado para a produção de biogás. Uma mistura de gases, maioritariamente metano, é produzida por bactérias que digerem matéria orgânica em condições anaeróbicas (isto é, em ausência de oxigénio). Um biodigestor nada mais é que um reactor químico, em que as reacções químicas têm origem biológica.
3.1 Biodigestor de abastecimento contínuo
De entre os biodigestores de sistema de abastecimento contínuo mais conhecidos, estão os modelos, chinês e indiano.
3.1.1 Modelo indiano
O modelo indiano é um dos mais usados devido à sua funcionalidade. Quando construído, apresenta o formato de um poço, que é o local onde ocorre a digestão da biomassa, coberto por uma tampa cónica, A tampa contem uma campânula flutuante, como gasómetro, que controla a pressão do biogás e permite a regulação da emissão do mesmo. Outra razão para sua maior difusão está no facto do outro modelo, o chinês, exigir a observação de muitos detalhes para sua construção.
Uma das vantagens do modelo indiano é a sua campânula flutuante, que permite manter a pressão de escape de biogás estável, não sendo necessário regular constantemente os aparelhos que utilizam o metano. Uma desvantagem, razoavelmente significativa, é o preço da construção da campânula, normalmente moldada em ferro.
Este modelo oferece, em relação ao modelo chinês, algumas vantagens no momento da construção, pois pode ser adaptado ao clima local e ao tipo de solo. Não há necessidade de se estabelecer medidas fixas para o diâmetro e profundidade, bastando que se observe a relação de capacidade do tanque digestor e da campânula.
Como já foi referido, o modelo indiano possui pressão de operação constante, ou seja, à medida que o volume de gás produzido não é consumido de imediato, o gasómetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a pressão no interior constante. O facto de o gasómetro estar disposto sobre o substrato, faz com que se reduza as perdas durante o processo de produção do biogás. O resíduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração de sólidos totais (ST) não superior a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material. O abastecimento também deverá ser contínuo.
A figura 4 e a figura 5, mostram a vista frontal e tridimensional em corte, respectivamente, do biodigestor, realçando os elementos fundamentais para sua construção, (DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
3.1.2 Modelo chinês
O modelo chinês é mais rústico e económico, é completamente construído em alvenaria, (tijolo), ficando este praticamente todo enterrado no chão. Funciona, normalmente, com alta pressão, a qual varia em função da produção e consumo do biogás. É formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria para a fermentação, com teto abobadado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás. Este biodigestor funciona com base no princípio de prensa hidráulica, de modo que aumentos de pressão em seu interior resultantes da acumulação de biogás resultarão em deslocamentos do efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, e em sentido contrário quando ocorre descompressão.
Este modelo dispensa o uso de gasómetro em chapa de aço, reduzindo desta forma o custo de construção, contudo podem ocorrer problemas com fugas do biogás caso a estrutura não seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor uma parcela do gás formado na caixa de saída é libertado para a atmosfera, reduzindo parcialmente a pressão interna do gás, por este motivo as construções de biodigestor tipo chinês não são utilizadas para instalações de grande porte. Semelhante ao modelo indiano, o substrato deverá ser fornecido continuamente, com a concentração de sólidos totais em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulação do material. A figura 6, mostra a vista frontal em corte do biodigestor, realçando os elementos fundamentais para sua construção. A figura 7 a representação tridimensional em corte, mostra de forma clara todo o interior do biodigestor, (DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chinês. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chinês. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo não contínuo
O biodigestor de batelada é indicado para pequenas produções de biogás.
Trata-se de um sistema bastante simples e de pequena exigência operacional. A sua instalação poderá ser apenas um tanque anaeróbico, ou vários tanques em série. Este tipo de biodigestor é abastecido de uma única vez, portanto não é um biodigestor contínuo, mantendo-se em fermentação por um período conveniente, sendo o material descarregado posteriormente após o término do período efectivo da produção de biogás. Por exemplo, um biodigestor com esterco bovino fica em média trinta a quarenta dias fechado, sem oxigénio, ocorrendo somente a obtenção do gás. Depois é aberto, os resíduos restantes são retirados, podendo ser utilizados como bio-fertilizantes. Posteriormente é repetindo todo o processo.
A figura 8 e a figura 9, mostra a vista frontal e tridimensional em corte do biodigestor, respectivamente, realçando os elementos fundamentais para sua construção, (DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada. Fonte: (ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
Capítulo 4
Biodigestão
Pode-se, resumidamente, dizer que a biodigestão anaeróbia de resíduos orgânicos é um processo bioquímico de utilização bacteriana para racionar compostos complexos e produzir um gás combustível, denominado biogás, composto em maior proporção de metano e dióxido de carbono. Os produtos resultantes deste processo são o biogás, como aproveitamento energético, a biomassa, com a possibilidade de ser utilizada como fertilizante em agricultura e efluentes tratados, como se pode verificar através do esquema representado pela figura 10.
Figura 10 - Processo de digestão anaeróbia. (Fonte: Digestão anaeróbia de resíduos alimentares, Universidade do Minho)
Por outras palavras, a biodigestão anaeróbia não é mais do que o processo pelo qual o metano é produzido, é uma das formas naturais de se obter esse hidrocarboneto, além das jazidas subterrâneas, onde este se encontra, na maior parte das vezes, associado ao petróleo.
Além da Índia e China, diversos países têm procurado aplicar a tecnologia da biodigestão anaeróbia, sobretudo no chamado “terceiro mundo”. Nos últimos anos, têm sido desenvolvidos métodos e processos de pesquisa fundamentais a aplicar nessa área, tendo contribuído significativamente para a sua evolução e para uma maior disseminação da tecnologia de tratamento anaeróbio em todo o mundo.
Através da análise efectuada pelo esquema representado pela figura 11, é de fácil identificação as diferentes fazes ou etapas por que passa o processo de digestão anaeróbia.
Maunoir (1991) propõe o esquema mostrado na Figura 11, para a degradação anaeróbia da matéria orgânica. No processo global de conversão da matéria orgânica, através da digestão anaeróbia, podem-se distinguir quatro fases distintas para formação do metano.
4.1 Fases da digestão anaeróbia
4.1.1 Hidrólise
Nesta fase, ocorre a liquefacção do meio. O material orgânico articulado ou complexo é convertido em compostos dissolvidos ou materiais orgânicos simples, ou seja, os polímeros orgânicos são convertidos em compostos simples e solúveis de menor peso molecular (monómeros). O processo requer a interferência das chamadas exo-enzimas que são excretadas pelas bactérias fermentativas (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994). As matérias complexas (celulose, hemicelulose, amido, pectinas, proteínas, lipídios) são convertidas pelas bactérias hidrolíticas em compostos solúveis, tais como aminoácidos, peptídeos de cadeia curta, mono e dissacarídeos (MARTIN, 1985, apud BELLI Fº, 1995).
4.1.2 Acidogênese
Os compostos dissolvidos ou liquefeitos, gerados no processo de hidrólise, são absorvidos nas células das bactérias fermentativas e, após a acidogênese, excretados como substâncias orgânicas simples como ácidos graxos voláteis (AGV), álcoois, ácido láctico, e compostos minerais como CO2, H2, NH3, H2S, etc, (VAN HAANDEL &
Na acidogênese os produtos da hidrólise são metabolizados pelas bactérias fermentativas em compostos orgânicos simples como álcoois, aldeídos, cetonas e ácidos graxos de cadeia curta, CO2 e H2 (BELLI Fº, 1995). A maior parte dos produtos finais
da acidogênese e da acetogênese são o ácido fórmico e ácido acético, o hidrogénio e dióxido de carbono (FOX & POHLAND, 1994, apud BELLI Fº, 1995).
Conforme Van Haandel & Lettinga (1994), apesar de minoria, algumas bactérias da acidogênese são facultativas e podem metabolizar o material orgânico pela via oxidativa, removendo o oxigénio dissolvido (O2), porque a presença desta substância,
eventualmente, poderia ser tóxica se não fosse removida.
4.1.3 Acetogênese
A acetogênese é uma etapa reguladora do processo que permite a transformação dos produtos da acidogênese em ácido acético, precursor do metano, impedindo a acumulação de ácidos graxos voláteis, além do ácido acético. Estes, em concentrações relativamente altas, inibem a etapa final da digestão anaeróbia. A transformação dos ácidos graxos e dos álcoois em ácido acético é feita pelas bactérias produtoras de hidrogénio (VERSTRAETE et all, 1981, apud BELLI Fº, 1995). Durante a acetogênese, os ácidos graxos voláteis, bem como os álcoois, são transformados em ácido acético pelas bactérias produtoras de hidrogénio conforme Philippi (1992 apud BELLI Fº, 1995). Segundo Gosmann (1997), citando Harper & Pohland (1986), na acetogênese, os produtos finais de decomposição são o hidrogénio, o dióxido de carbono e o ácido acético. Dependendo do estado de oxidação do material orgânico a ser digerido, a formação de ácido acético pode ser acompanhada pelo surgimento de dióxido de carbono ou hidrogénio (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994).
De acordo com Belli Fº (1995), citando Fox & Pohland (1994), as reacções da acidogênese, em ph 7,0 e a 1 atm, que conduzem à formação de ácido acético, são explicadas da seguinte forma:
Propiniato → Acetato
CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2+ 3H2
Etanol → Acetato
CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2
4.1.4 Metanogênese
O ácido acético, CO2 e H2 produzidos pela acetogênese são convertidos em gás
metano (CH4) e em CO2. Nesse estágio bactérias anaeróbias metanogênicas convertem
ácidos orgânicos simples em Metano e Dióxido de Carbono, com período de duração de dez dias a 20 ºC.
A metanogênese em geral é o passo que limita a velocidade do processo de digestão como um todo, embora a temperatura abaixo dos 20 ºC, a hidrólise se possa tornar limitada (GUJER & ZEHNDER, 1983, apud VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994). O metano é produzido pelas bactérias acetotróficas a partir da redução ou descarboxilação do ácido acético ou pelas bactérias hidrogenotróficas a partir da redução do dióxido de carbono.
Têm-se, portanto, as seguintes reacções catabólicas:
Metanogênese acetotrófica: CH3COOH → CH4+ CO2
Metanogênese hidrogenotrófica: 4H2+ CO2→ CH4+ 2H2O
Teoricamente, 33% do metano pode ser proveniente da redução de CO2. O ácido acético
pode produzir pelo menos 67% do metano (MAH et al., 1977, apud BELLI Fº, 1995).
Dos compostos intermediários, somente H2 e HCOOH e acetato podem ser usados
directamente pelas bactérias metanogênicas, enquanto os outros precisam, para serem convertidos em produtos finais, de passar pelas bactérias produtoras obrigatórias de hidrogénio (VERSTRAETE et al., 1981)
A produção de metano (60 a 70% do biogás), depende directamente da degradação dos ácidos graxos voláteis (AGV), não estando ligada à concentração de ácido acético (BELLI Fº, 1995). Cerca de 70% do metano provém do ácido acético, que é seu maior precursor (PHILIPPI, 1992), (Alan Henn, 2005).
4.2 Estudos referentes á digestão anaeróbia
Como se pode ver através da análise da tabela 4, à muito que este tema tem sido objecto de estudo, com o objectivo de ser desenvolvido um processo mais eficiente e fiável para a captação, tratamento e utilização do biogás.
Tabela 4 - Desenvolvimento histórico da tecnologia de biodigestão anaeróbia.
Datas Descobertas a respeito da Digestão Anaeróbia
1776 Alessandro Volta, em Itália, descobre metano no gás dos pântanos, como resultado da
decomposição de restos vegetais em ambientes confinados.
1806 Humphrey Davy, em Inglaterra, identifica um gás rico em metano e dióxido de
carbono, resultante da decomposição de dejectos animais em lugares húmidos.
1857 Em Bombaim, na Índia, é construída a primeira instalação operacional destinada a
produzir gás combustível, para um hospital.
1890 Donald Cameron, em Inglaterra, projecta uma fossa séptica para a cidade de Exeter,
sendo o gás produzido utilizado para iluminação pública.
1920 Karl Imhoff, na Alemanha, desenvolve um tanque biodigestor, o tanque Imhoff, uma
importante contribuição para o tratamento anaeróbio de esgotos residenciais.
1950 Ram Bux Singh, em Ajitmal, no norte da Índia, coordena as pesquisas que conduziram
a uma enorme difusão do biodigestor, construindo meio milhão de unidades do chamado modelo indiano, como forma de tratar o esterco e obter combustível sem perder o efeito fertilizante.
1972 No sul do rio Amarelo, na China, surge uma nova concepção, o modelo chinês, com a
instalação de 7,2 milhões de biodigestores para produção de biogás.
Capítulo 5
Biogás
A utilização e valorização de resíduos incluem qualquer das operações que permite o reaproveitamento dos resíduos que se englobem em duas categorias: reciclagem e valorização energética. Assim, as operações mais comuns na gestão de resíduos sólidos urbanos são a reciclagem material, a compostagem, a biometanização (ou digestão anaeróbia) e a incineração.
O biogás basicamente é composto de uma mistura de gases contendo principalmente metano e dióxido de carbono, encontrando-se ainda nesta mistura, mas em menores proporções, gás sulfídrico e nitrogénio, como se pode verificar através da análise da tabela 5.
Tabela 5 - Composição química do biogás típico.
Parâmetros Biogás típico (%)
CH4 50 – 80 CO2 25 – 50 N2 0 - 7 O2 0 - 2 H2S 0 - 3 NH3 0 - 1 H2 0 - 1 Outros 1 - 5
A formação do biogás é comum na natureza. Assim, ele pode ser encontrado em pântanos, lamas escuras, locais onde a celulose sofre naturalmente decomposição. O biogás é um produto resultante da fermentação, na ausência do oxigénio, de dejectos animais, resíduos vegetais e de lixo orgânico industrial ou residencial, em condições adequadas de humidade e temperatura. A reacção desta natureza é denominada digestão anaeróbica.
O principal componente do biogás é o metano representando cerca de 50 a 80% na composição do total de mistura, como já foi referido anteriormente. O metano é um gás incolor, altamente combustível, queimado com chama azul lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo de poluição. Em função da percentagem com que o metano participa na composição do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal/m3 (por metro cúbico). Esse poder calorífico pode chegar ás 12.000 kcal/m3, uma vez eliminado o dióxido de carbono e outros contaminantes da mistura.
Tendo em conta a proveniência do biogás, este vai apresentar diferentes composições, essencialmente no que se refere a percentagens de CH4, CO2 e de impurezas.
Actualmente, a proveniência de biogás é considerada apenas de duas fontes distintas:
Biogás de aterro; Biogás de digestão.
Através da análise da tabela 6, pode-se facilmente identificar as diferenças, a nível de composição, entre o biogás de Aterro e o biogás de digestão.
Tabela 6 - Composição de biogás de diferentes fontes.
Parâmetros Biogás de aterro Biogás de digestão
Valor calorífico (MJ/nm3) 16 23 Densidade (kg/nm3) 1.3 1.2 CH4(% Média) 45 63 CH4(% de Variação) 35 – 65 53 – 70 CO2(% Média) 40 47 CO2(% de Variação) 15 – 50 30 – 47 H2S (ppm Média) < 100 < 1000 H2S (ppm Variação) 0 – 100 0 - 1000
(Fonte: PERSSON et all, 2006)
Traduzindo em termos práticos, seguidamente é apresentada uma relação comparativa de equivalência de 1m3, metro cúbico, de biogás com os combustíveis usuais, tabela 6.
1 m3de biogás corresponde a:
Tabela 7 - Relação comparativa de 1m3de biogás com combustíveis usuais.
Gasolina Gasóleo Bio-diesel GPL Electricidade Lenha Pellets
madeira
0,61 litros 0,7 litros 0,55 litros 0,45 Kg 6,9 kWh 1,538kg 0,304kg (Fonte: DEGANUTTI et all, 1995)
A título de exemplo:
Para uma família de 5 (cinco) pessoas em termos de uso caseiro temos:
Para cozinha 4,30 m3 Para iluminação 0,63 m3 Para banhos 4,00 m3
Total de biogás necessário: 8,93 m3 (por dia). Essa quantidade de gás corresponde a aproximadamente ¼ de uma botija de gás de 13 kg.
(DEGANUTTI et all, 1995)
5.1 Biogás de aterro
Para o caso dos aterros, a deposição de resíduos orgânicos por via anaeróbia denomina-se de biometanização ou digestão anaeróbia. Os principais produtos do metabolismo são o dióxido de carbono, CO2, e o metano, CH4, constituintes principais
do biogás, sendo ainda produzidos compostos intermediários, como ácidos orgânicos de baixo peso molecular, alguns voláteis, que tem um elevado potencial de produção de maus cheiros.
Ao chegar da recolha, o lixo é pesado e descarregado nas centrais de triagem, onde é escolhido e compactado, seguindo para a sua deposição no aterro, o qual será obrigatoriamente revestido por material impermeável, para impedir a contaminação por infiltração das áreas circundantes. À medida que as células do aterro são seladas, verifica-se de imediato a degradação da componente orgânica, pelo que após um curto período de tempo se inicia a produção de biogás, com libertação de gases com características caloríficas.
O aproveitamento energético do biogás reduz a emissão de metano para a atmosfera, contribuindo igualmente para uma melhoria da qualidade ambiental das zonas envolventes, uma vez que os componentes causadores de odores desagradáveis, particularmente os compostos de enxofre, são destruídos durante a combustão do biogás.
Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitário. (Fonte: www.algar.com.pt)
Para ser possível e viável a recuperação de biogás num aterro sanitário, este deverá ter implementado uma serie de sistemas:
Sistema de impermeabilização
Este sistema deverá evitar a fuga do biogás para a atmosfera, bem como impedir a infiltração de lexiviados no terreno, figura 13. A cobertura superior dos aterros sanitários normalmente é feita com argila de baixa permeabilidade compactada;
Figura 13 - Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário. (Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005)
Poços de drenagem de biogás
Estes poços, escavados na massa de resíduos, normalmente são feitos com brita e podem ser verticais ou horizontais. Alguns aterros sanitários adoptam um sistema de poços misto.
Rede de colecta
A rede de colecta de biogás, como se vê na figura 15, leva o gás drenado dos poços para a unidade de geração de energia eléctrica e/ou calorífica. Esta rede é normalmente constituída por tubos de polietileno de alta densidade e deve ser aterrada, com a finalidade de evitar possíveis incidentes.
Figura 15 - Rede de colecta de biogás. (Fonte: www.gasnet.com)
Bombas de vácuo
As bombas de vácuo são extremamente importantes para compensar as perdas de carga nas tubagens e garantir a regular injecção de biogás nas unidades de geração de energia eléctrica e/ou calorífica
Grupos Geradores
Este tipo de equipamentos, figura 16, utilizam normalmente motores de combustão interna, desenvolvidos especialmente para serem alimentados com o biogás como combustível.
Figura 16 - Grupo de geradores a biogás. (Fonte: www.gasnet.com)
A implementação de uma unidade de geração de energia deste tipo, em aterros sanitários, deverá ser acompanhada de um estudo de viabilidade económica. Este estudo deverá obrigatoriamente indicar o potencial de geração de biogás do aterro em função da quantidade e da composição dos resíduos aterrados, avaliando desta forma o custo de geração de energia, (Guidance Note on Recuperation of Landfill Gas Municipal Solid Waste Landfills (World Bank).
O biogás poderá ser utilizado para a produção de energia eléctrica, aquecimento ou abastecimento de redes de gás municipais.
Este último, necessita de mais tecnologia e é necessário um elevado controlo de alguns factores, nomeadamente a temperatura e as emissões, mas em contrapartida tem a vantagem de reduzir o tempo de tratamento e possibilitar a recuperação de energia.
As normas relativas aos aterros sanitários impõem, hoje em dia, a drenagem, a extracção, o aproveitamento e, caso este ñ seja possível, a queima do biogás, em particular porque o metano é um gás que também contribui para o efeito de estufa, com um impacto 20 vezes superior ao dióxido de carbono. Desta forma, o biogás gerado nos aterros sanitários deve ser drenado e queimado para minimização dos efeitos causados pelo seu lançamento na atmosfera. Assim sendo, a utilização do biogás como recurso energético é uma forma de minimizar este efeito negativo para o meio ambiente.
Tabela 8 - Contribuição do biogás para o efeito de estufa.
Parâmetros Concentração na atmosfera, (ppm)
Crescimento anual na atmosfera, (%)
Contribuição relativa para o efeito de estufa,
(%) CO2 346,0 0,4 50 CH4 1,7 1,0 19 N2O 0,3 0,3 4 O3 0,02 0,5 8 CFC 0,001 5,0 17
(Fonte: AMARSUL, Biogás em aterro)
Como se pode verificar através da análise da tabela 8, o metano tem um peso significativo na contribuição para o efeito de estufa.
Através da utilização do biogás para fins energéticos, consegue-se uma melhoria das condições ambientais, uma vez que se estima que aproximadamente 10% da produção de metano a nível mundial, seja proveniente de aterros.
5.2 Biogás de etar
Tal como no caso dos aterros, também as Estações de tratamento de águas residuais, etar’s, têm a capacidade de produção de gás combustível, biogás, devido à fermentação e decomposição da matéria orgânica. Assim sendo, muitas etar’s a nível nacional já fazem o aproveitamento desta forma de energia, a finalidade mais comum é produzir electricidade e calor, cogeração, figura 17), através de um ou mais grupos motor gerador, como os representados na figura 18. A electricidade é consumida e ou vendida à rede, no que diz respeito ao calor, este é essencialmente para consumo interno, tal como aquecimento dos biodigestores, aquecimento de águas e aquecimento ambiente.
Figura 18 - Grupo motogerador a biogás. (Fonte: SIMLIS Aproveitamento de Biogás)
Este tipo de aproveitamento energético é essencial, mas acima de tudo porque o tratamento das lamas é extremamente necessário. Uma vez que não é viável, ambientalmente, a deposição das lamas em aterros, esta é uma forma de as estabilizar e posteriormente serem utilizadas como fertilizante agrícola.
5.3 Biogás de explorações agro-pecuárias
O aproveitamento do biogás proveniente de explorações agro-pecuárias é uma das formas mais utilizadas em zonas rurais. Tendo em conta que nestas zonas se verifica a existência de biomassa em abundância. É sabido que este tipo de explorações tem alguma dificuldade em efectuar o tratamento dos dejectos animais ou o seu transporte para uma estação de tratamento, o que por vezes origina descargas ilegais muito prejudiciais para o meio ambiente.
solução para este problema. Sendo ainda uma mais valia na geração de energia, tanto para consumo das próprias instalações como para venda á rede.
Quanto ao tipo de equipamentos necessários para a produção de biogás e aproveitamento energético, este caso é em tudo semelhante ao caso de uma etar ou aterro, tendo em conta, como é óbvio, a quantidade e a qualidade do biogás que se pretende produzir.
5.4 Biogás de CVO
O aproveitamento energético através de centrais onde é possível o aproveitamento energético de resíduos orgânicos, CVO, poderá ser uma solução para a grande maioria das instalações onde de alguma maneira se produzem desperdícios orgânicos, com potencial energético. Assim sendo, pensa-se que este tipo de centrais poderá contribuir significativamente para uma melhoria ambiental junto de explorações agro-pecuárias, estações de tratamento de efluentes municipais e industriais, fazendo o correcto tratamento dos seus resíduos orgânicos, bem como de resíduos orgânicos recolhidos indiscriminadamente.
Para este tipo de centrais de tratamento de resíduos orgânicos, a produção de energia poderá ser efectuada de uma forma em tudo semelhante as explorações acima referidas, produção de biogás para geração de energia eléctrica e calor ou purificação e injecção na rede de gás natural.
5.5 Produção de biogás
As propriedades físico-químicas do biogás têm natural influência na tecnologia a ser seleccionada para a sua posterior utilização. Como mistura variável de diferentes gases, o biogás tem poder calorífico e densidade variados, tendo em conta a concentração relativa de cada um dos seus constituintes. Essas propriedades são importantíssimas para a engenharia de equipamentos adequados ao biogás (CCE, 2000).
O poder calorífico do biogás depende da percentagem de metano (CH4) nele existente.
Segundo (CCE, 2000), o metano puro, em condições normais (pressão a 101,325 kPa e temperatura de 0 ºC), possui poder calorífico equivalente a 35640 kJ/m3. O biogás, com teor de metano variando entre 50% e 80%, possui poder calorífico inferior entre 17880 e 28440 kJ/m3. Assim para cada 10% de CO2 na mistura gasosa de biogás, este
corresponde aproximadamente a 3600 kJ/m3a menos no seu poder calorífico.
Se o biogás proveniente de aterros e etar’s não for devidamente controlado e tratado, pode apresentar para o ambiente uma serie de riscos, (efeito de estufa causado pelo metano), para a saúde e segurança da população local, (correndo o risco de toxicidade, incêndios, explosões, etc). Desta forma, torna-se necessário efectuar um rigoroso controlo no que diz respeito á sua captação, tratamento e armazenamento.
O biogás proveniente de aterros sanitários, etar’s e explorações agro-pecuárias, resultante da biodegradação de resíduos, nem sempre apresenta a mesma quantidade de energia gerada, ou seja, varia ao longo do período de produção, no entanto, normalmente é produzida entre 150m3 e 200m3 de biogás por tonelada de resíduos digerida, (Inácio 1995).
Para se poder utilizar este gás e tendo em conta a sua finalidade, existe a necessidade de se proceder à sua limpeza e melhoria. Desta forma, poderão ser utilizados diversos processos, os quais serão descritos mais adiante.
O biogás produzido pode ser utilizado de diversas formas: queimado no local e produzir energia eléctrica para consumo nas próprias instalações e/ou venda á rede, ou ainda purificado e injectado na rede de gás natural. Para podermos usufruir desta alternativa energética, necessitamos de todo um conjunto de equipamentos, que nos permita o seu rigoroso tratamento e posterior utilização.
aplicação final à qual vai estar sujeito. Assim, a título de resumo, é apresentada a tabela 9, a qual mostra a necessidade de remoção de impurezas, de acordo com a finalidade de utilização do biogás.
Tabela 9 - Necessidade de remoção de gases e de outros componentes do biogás.
Aplicação H2S CO2 H2O
Caldeira a Gás para aquecimento <1000 ppm Não Não
Utilização em cozinha Sim Não Não
Veículos a Gás Sim Sim Sim
Rede de Gás Natural Sim Sim Sim
(Fonte: Adaptado de IEA Bioenergy. Task 24: Energy from biological conversion of organic waste, Biogas upgrading and utilisation)
Essencialmente pode-se resumir a finalidade do biogás produzido a duas possibilidades: Produção de biometano;
Produção de energia eléctrica.
5.6.1 Energia injectada na rede nacional de energia eléctrica
Para o caso do aproveitamento do biogás gerado para a produção de energia eléctrica e consequente venda à rede nacional de energia eléctrica, é necessário cumprir certos requisitos estipulados, possíveis de consultar em Diário da República.
Regime jurídico das energias renováveis
Valorização pelo tarifário das energias renováveis (ER) – Decreto-Lei 33-A/2005 de 16 de Fevereiro. Aplicável a instalações que utilizam energias renováveis. Estabelece valores para o coeficiente (Z) utilizado nas fórmulas de cálculo do tarifário.
Biogás de biomassa animal; alínea d) Z=7,5 Biogás de aterro; alínea e) Z=7,5
Biogás de outros (etar); alínea g) Z=1
A diferença na Tarifa de remuneração do kWh, fazendo Z=1 ou Z=7,5 resulta muito diferente:
Z=1 = 0,0549 €/kWh Z=7,5 = 0,1054 €/kWh
Desta forma verifica-se que para o caso de venda de electricidade produzida pela utilização de biogás, uma disparidade de preços, mediante a proveniência do próprio biogás.
5.6.2 Biometano injectado na rede nacional de gás natural
Quando o objectivo da produção do biogás é a injecção na rede nacional de gás natural, é necessário, como já foi referido anteriormente, todo um conjunto de equipamentos para limpeza e purificação do biogás.
A entidade reguladora, ERSE, estipula todos os requisitos que o biogás deverá possuir, aquando da sua injecção na rede nacional, nomeadamente:
Limites máximos de impurezas; Limites mínimos de metano; Pressões de serviço;
Índice de Wobbe; Densidade;
Breve descrição do percurso do gás natural e constituição do SNGN
A figura 19 apresenta a constituição do Sistema Nacional de Gás Natural (SNGN).
Figura 19 - Sistema nacional de gás natural (SNGN). (Fonte: Relatório da qualidade de Serviço do sector do gás natural, ERSE, 2009)
Fornecimento de gás natural a Portugal
Portugal não possui jazigos de gás natural. Actualmente, o gás é importado, essencialmente, do Norte e Ocidente de África (Argélia e Nigéria). De acordo com a sua proveniência, o gás natural consumido em Portugal entra no país em dois pontos:
O gás natural proveniente da Argélia é fornecido a Portugal através do gasoduto que atravessa o norte da Argélia e Marrocos com ligação sub-aquática de Tanger a Tarifa em Espanha. A ligação da rede de Espanha a Portugal é efectuada em Campo Maior;
O gás natural proveniente da Nigéria é transportado até Portugal sob a forma de Gás Natural Liquefeito (GNL), isto é, em estado líquido, em navios metaneiros.
Terminal de GNL
O GNL proveniente da Nigéria é descarregado dos navios metaneiros para o terminal de recepção, armazenamento e regaseificação de Sines (terminal de GNL) e é armazenado em reservatórios. Estes reservatórios permitem o abastecimento de GNL aos camiões-cisterna para abastecer redes de distribuição separadas da rede de transporte, e o abastecimento de gás natural à rede de transporte após sua regaseificação (passagem de gás natural do estado liquido para o estado gasoso). A actividade de operação do terminal de GNL é desenvolvida pela empresa REN Atlântico.
Armazenamento do gás natural
Em Portugal existe armazenamento de gás natural (no estado gasoso) em cavidades subterrâneas de formação salina. O armazenamento subterrâneo situa-se no Carriço, concelho de Pombal. As cavidades recebem e fornecem gás natural à rede de transporte. A actividade de operação do Armazenamento é desenvolvida pela empresa REN Armazenagem.
Transporte do gás natural
A rede de transporte é constituída pelo gasoduto em alta pressão e demais infra-estruturas que asseguram a veiculação do gás natural desde os locais de recepção e armazenamento de gás natural às redes de distribuição. A rede de transporte é constituída por dois grandes eixos:
Um eixo Sul-Norte desde o terminal de GNL até Valença do Minho que garante o abastecimento de gás natural à faixa litoral de Portugal com as localidades mais densamente povoadas. Este eixo tem uma grande derivação para Viseu;
Um eixo entre Campo Maior, onde é feita a ligação Espanha - Portugal, e o armazenamento subterrâneo, no Carriço. Este eixo tem uma derivação (Sul-Norte) para a Guarda. Os dois grandes eixos cruzam-se na Bidoeira, localidade do concelho de Leiria.
À rede de transporte estão ligadas redes de distribuição e grandes clientes de gás natural, designadamente as centrais de produção de energia eléctrica. A actividade de transporte de gás natural é desenvolvida por uma única entidade, REN Gasodutos.
Distribuição do gás natural
Em Portugal existem onze redes de distribuição de gás natural. Cinco redes são redes isoladas, figura 20, e as restantes seis ligadas à rede de transporte, figura 21.
Estas redes isoladas caracterizam-se por incluírem as Unidades Autónomas de GNL (UAG), figura 16, que permitem, por um lado, receber GNL através de camiões-cisterna e, por outro lado, regaseificar o GNL e abastecer os clientes com gás natural através de uma rede de distribuição local, (ERSE, 2009).
Figura 20 - Redes de distribuição abastecidas por UAC. (Fonte: Relatório da Qualidade de Serviço do sector do Gás Natural, ERSE, 2009)
