ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE
DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO
ANAERÓBIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM: ENGENHARIA MECÂNICA
ROSANA SOFIA GOMES TAVARES
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE
DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO
ANAERÓBIA
Rosana Sofia Gomes Tavares
Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges, do Departamento de Engenharia da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
Às minhas gatinhas
O Leão e o Porco
O rei dos animais, o rugidor leão, Com o porco engraçou, não sei por que razão. Quis empregá-lo bem para tirar-lhe a sorna (A quem torpe nasceu nenhum enfeite adorna): Deu-lhe alta dignidade, e rendas competentes, Poder de despachar os brutos pretendentes, De reprimir os maus, fazer aos bons justiça, E assim cuidou vencer-lhe a natural preguiça; Mas em vão, porque o porco é bom só para assar, E a sua ocupação dormir, comer, fossar. Notando-lhe a ignorância, o desmazelo, a incúria, Soltavam contra ele injúria sobre injúria Os outros animais, dizendo-lhe com ira: «Ora o que o berço dá, somente a cova o tira!» E ele, apenas grunhindo a vilipêndios tais, Ficava muito enxuto. Atenção nisto, ó pais! Dos filhos para o génio olhai com madureza; Não há poder algum que mude a natureza: Um porco há-de ser porco, inda que o rei dos bichos
O faça cortesão pelos seus vãos caprichos.
Desejo aqui, expressar a minha gratidão para com todos aqueles que tornaram possível a realização deste trabalho, nomeadamente o meu orientador, Prof. Amadeu Borges, pelo seu apoio incondicional, disponibilidade e por tudo ter feito no sentido de responder a todas as minhas dúvidas.
Gostaria igualmente de endereçar um enorme agradecimento à Engª. Paula Moreira da empresa Veolia Água, pela total disponibilidade e auxílio prestados. Ao colega Luís Oliveira, pela ajuda preciosa.
Agradeço ainda às instituições Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro e à ETAR de Valongo, pelos meios que me proporcionaram para a realização deste trabalho.
A todos os meus amigos por todos os momentos bem passados ao longo desta vida académica, em especial à Andreia e à Bárbara, por todas as conversas e gargalhadas, pela amizade e atenção, obrigada por estarem sempre aí.
Ao meu namorado, Fábio, por me “aturares” particularmente durante estas longas horas de dissertação, pelo apoio e carinho e por acreditares em mim.
Aos meus pais e irmã, pelo apoio incondicional, pelo incentivo que sempre me deram para os estudos e por me aconselharem sem pressões nem julgamentos.
A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em especial no que toca aos resíduos orgânicos. O tratamento biológico da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (RSU) constitui uma solução necessária a ter em conta na gestão de resíduos, ao promover a redução da matéria orgânica, através dos processos de estabilização e de recuperação de nutrientes. A digestão anaeróbia assume particular destaque por utilizar ainda o conteúdo energético dos resíduos, convertendo‐o numa fonte de energia - o biogás.
Para manter a produção de biogás é necessário que o processo de digestão anaeróbio ocorra a uma temperatura constante e tradicionalmente este aquecimento é feito com parte do biogás produzido. Se outro tipo de energia renovável for utilizada como fonte de calor, a reação torna-se muito mais eficiente e a quantidade de biogás produzida disponível para valorização aumenta substancialmente. É neste contexto, que a energia solar e a energia geotérmica surgem como uma solução bastante promissora. Pois são ambas fontes de energia renovável com grande potencial em Portugal.
Este trabalho tem como principal objetivo avaliar a viabilidade de um sistema solar térmico e de um sistema geotérmico como fonte de calor alterativa durante o processo de digestão anaeróbia, conduzindo a um aumento da disponibilidade de biogás para conversão, em energia elétrica, por exemplo.
Nesta dissertação realizaram-se ainda ensaios com lamas de ETAR a uma temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, avaliando-se a quantidade de biogás produzida com este tipo de matéria orgânica.
Verificou-se tanto o sistema solar térmico como sistema geotérmico constituem soluções economicamente e energeticamente atrativas para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. No entanto, o sistema solar térmico foi o que apresentou os melhores resultados, com um payback de apenas 5 anos, o investimento é recuperado a uma taxa de 17,19%, e gera-se ainda um excedente no final do tempo de vida útil do equipamento de 88290€.
Waste management is under increasing restrictions, mainly concerning the organic waste. Biologically treating the organic fraction of urban solid waste (USW) is a solution that must be considered in waste management as it promotes the reduction of organic matter through processes of stabilization and nutrient recovery. The role of anaerobic digestion must be particularly emphasized as it converts the energy content of the waste into a power source - biogas.
In order to stabilize biogas production the anaerobic digestion must occur at a constant temperature; the heating needed for this process is typically supplied by part of the produced biogas. If another type of renewable energy is used as a heat source, the reaction becomes more efficient and the amount of biogas produced made available for energy recovery increases substantially. Therefore, solar and geothermal energy arise as an auspicious solution especially since these sources have great promise in Portugal.
The aim of this work is to evaluate the feasibility of both a solar thermal and a geothermal systems as alternative heat sources during the anaerobic digestion process, leading to increased availability of biogas for conversion into electrical energy.
Laboratory tests were performed with sewage sludge from a wastewater treatment plant for an optimum temperature of 35ºC with and without mixing, in order to evaluate the amount of biogas produced from this type of organic material.
The solar thermal and the geothermal systems are both economically and energetically attractive solutions to ensure the energy needs of anaerobic digestion. Nonetheless, the solar thermal system displayed the best results: with a payback of just 5 years the initial investment is recovered at a rate of 17.19%. Moreover, a surplus of €88 290 is generated during the equipment's lifetime.
Agradecimentos iii Resumo iv Abstract v Capítulo 1 – Introdução Pág.1 1.1. Objetivos Pág.3 1.2. Enquadramento Pág.3 1.3. Estrutura da Dissertação Pág.9 Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte de calor para
a digestão anaeróbia Pág.10
2.1. Fatores que influenciam a digestão anaeróbia Pág.11
2.1.1. Temperatura Pág.11
2.1.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH) Pág.12
2.1.3. Agitação Pág.13
2.1.4. Tipo de matéria orgânica (substrato) Pág.13
2.1.5. Tipos de biodigestores (reatores) Pág.15
2.2. Energia Solar Pág.17
2.2.1. Vantagens e desvantagens da energia solar térmica Pág.19
2.2.2. Coletores solares Pág.20
2.2.3. Contributo para a redução das emissões de CO2 Pág.22
2.3. Energia Geotérmica Pág.24
Capítulo 3 – Digestão Anaeróbia de Lamas de ETAR para Produção
de Biogás Pág.31
3.1. Introdução Pág.31
3.2. Equipamento Pág.33
3.2.4. Analisador de Gases Pág.35
3.3. Procedimento Experimental Pág.36
3.4. Apresentação e discussão dos resultados Pág.38
3.5 Conclusões Pág.40
Capítulo 4 – Aquecimento Solar Pág.41
4.1. Introdução Pág.41
4.2. Dimensionamento do sistema solar Pág.42
4.2.1. Energia útil – apresentação e discussão de resultados Pág.42 4.2.2. Avaliação da radiação incidente para o concelho de Vila
Real Pág.44
4.2.3. Apresentação dos coletores solares em estudo Pág.46 4.2.4. Análise da energia solar captada em função da massa
volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima do
processo de digestão Pág.49
4.2.5. Fração solar Pág.54
4.2.6. Cálculo da quantidade de coletores para funcionamento
do sistema solar Pág.55
4.3. Viabilidade económica Pág.57
4.4. Impacte Ambiental Pág.63
4.5. Conclusões Pág.65
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico Pág.66
5.1. Introdução Pág.66
5.2. Dimensionamento do sistema geotérmico Pág.67
Capítulo 6 – Conclusões Pág.83
Bibliografia Pág.87
resíduos entre 1996 e 2005.[Fonte: PERSU II] Pág.5 Figura 1.2 – Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão
anaeróbia de RBU, dejetos de animais e biomassa verde para produção
de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009] Pág.6
Figura 1.3 – Instalação para produção de biogás com aquecimento solar
(Dong & Lu, 2013). Pág.7
Figura 1.4 – Representação esquemática do sistema de aquecimento da
estufa. (Adaptado de Esen & Yuksel, 2013) Pág.8
Figura 2.1 – Influência da temperatura no tempo de retenção para que a
digestão anaeróbia ocorra. [Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008] Pág.11 Figura 2.2 - Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo.
[Fonte: eds.Norte, 2008] Pág.15
Figura 2.3 - Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com
biomassa em suspensão. [Fonte: eds.Norte, 2008] Pág.16
Figura 2.4 - Representação gráfica da radiação solar global na Península
Ibérica (valores anuais em kWh/m2). [Fonte:
http://www.solarfeedintariff.net] Pág.18
Figura 2.5 - Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano; b) Coletor concentrador parabólico; c) Coletor de tubos de vácuo.
[Fonte: www.energiasrenovaveis.com] Pág.20
Figura 2.6 - Estimativa de poupança de emissões de CO2 e na produção de AQS através da implementação de instalações solares térmicas em
20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)] Pág.23 Figura 2.7 - Localização das ocorrências termais cuja temperatura de
emergência é superior a 20ºC. [Fonte: www.lneg.pt] Pág.25
Figura 2.8 - Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das Dunas, localizada na Costa de Prata, Santa Cruz é um projeto eco-friendy que utiliza a energia geotérmica para o aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A água proveniente das termas de Chaves é utilizada para aquecimento do hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte:
http://www.joiadasdunas.com e Lourenço, M. (n.d.)] Pág.26
Figura 2.9 - Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo.
Figura 2.11 – Sistemas de ligação à terra para captação de energia geotérmica: a) captação horizontal; b) captação vertical; c) captação do
lençol freático. [Fonte: www.geotermiadeportugal.pt] Pág.29
Figura 3.1 - Disposição do equipamento experimental na bancada. Pág.33
Figura 3.2 - Biodigestor de parede dupla. Pág.34
Figura 3.3 - Agitador mecânico de hélice. Pág.34
Figura 3.4 - Banho termostático. Pág.35
Figura 3.5 - Analisador de gases. Pág.36
Figura 3.6 - Esquema de funcionamento do biodigestor. [Fonte:
Cardoso, 2011] Pág.37
Figura 3.7 - Sistema experimental de digestão anaeróbia para produção
de biogás em funcionamento. Pág.38
Figura 4.1 - Evolução da energia útil anual em função da massa
específica da matéria orgânica e da temperatura ótima. Pág.43 Figura 4.2 - Gráfico representativo da radiação incidente em função do
tempo em Vila Real. [Fonte:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radday.php] Pág.44
Figura 4.3 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de dezembro para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano,
ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Pág.50
Figura 4.4 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de julho para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP
e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Pág.50
Figura 4.5 – Comparação dos valores de energia solar obtidos ao longo do ano para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol para cada temperatura ótima de funcionamento, considerando
uma massa volúmica de 560kg/m3. Pág.52
Figura 4.6 – Evolução da fração solar média ao longo do ano em função
Figura 5.1 – a) Principais fontes de calor a baixa temperatura; b)
Permutadores em caracol. [Fonte: www.caleffi.pt] Pág.70
Figura 5.2 – a) Ilustração de um furo com captação por sonda geotérmica [Fonte: www.caleffi.pt]; b) Sonda geotérmica RAUGEO
PE100 e PE-Xa [Fonte: www.rehau.com] Pág.73
Figura 5.3 - Poupança anual, em euros, em função da fonte de energia
tradicional, eletricidade ou gás natural. Pág.76
Figura 5.4 – Comparação entre o investimento necessário para o sistema
geotérmico GCHPs horizontal e para o sistema solar Vulcano. Pág.80 Figura 5.5 – Comparação entre a poupança anual adquirida com a
implementação do sistema geotérmico GCHPs horizontal e do sistema
solar Vulcano. Pág.81
Figura 5.6 – Comparação entre os valores de payback, em anos, obtidos
relativamente ao destino dos RSU (Fonte: APA) Pág.4 Tabela 2.1 – Caracterização dos diferentes tipos de substratos
utilizados para produção de biogás. [Fonte: Rajendran et al., 2012] Pág.14 Tabela 3.1 – Massa volúmica dos RUB utilizados para a produção de
biogás. [Fonte: Russo, n.d. e Rasquilha, 2010] Pág.32
Tabela 3.2 – Procedimento experimental. Pág.37
Tabela 3.3 – Quantidade de CO2, CH4 e H2 presente no biogás
produzido a 35ºC. Pág.38
Tabela 3.4 – Quantidades de metano obtidas por Luostarinen et al.
(2009) e Davidsson et al. (2008). Pág.39
Tabela 4.1 – Características do sistema matéria orgânica/biodigestor. Pág.42 Tabela 4.2 – Radiação solar média, temperatura ambiente média e os
dias de cada mês, referentes ao concelho de Vila Real. Pág.45 Tabela 4.3 – Valores da radiação global incidente corrigida (H),
coeficiente de correção de inclinação (k) e da energia incidente dia por
m2. Pág.46
Tabela 4.4 – Características de cada coletor solar em estudo. Pág.46 Tabela 4.5 – Apresentação das áreas de coletor (m2) em função da
temperatura ótima e da massa volúmica. Pág.48
Tabela 4.6 – Comparação percentual entre a energia solar captada (Esolar) pelos coletores da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada pelo coletor EnergyBand, para as temperaturas
ótimas de 35 e 40ºC. Pág.53
Tabela 4.7 – Valores da carga térmica (ECT) e da energia fornecida
pelo sol (Esolar), em MJ/ano. Pág.54
Tabela 4.8 – Número de coletores solares necessários ao
funcionamento dos sistema solar. Pág.56
Tabela 4.9 – Consumo específico de gás natural, em m3 por mês. Pág.58 Tabela 4.10 – Escalões de consumo de gás natural definidos pela
Tabela 4.12 – VAL, em euros, obtido para cada sistema solar térmico
analisado. Pág.62
Tabela 4.13 – TIR, em percentagem, obtida para cada sistema solar
térmico analisado. Pág. 62
Tabela 4.14 – Quantidades, em gramas, de CH4 e CO2. Pág.63 Tabela 4.15 – Quantidade de CO2, em kg por ano, libertada para a
atmosfera com o sistema tradicional e com o sistema solar térmico. Pág.64 Tabela 5.1 - Características das bombas de calor da marca Ecoforest.
[Fonte: www.ecoforest.es] Pág.67
Tabela 5.2 – Potência útil em função da temperatura ótima e da massa
volúmica da matéria orgânica. Pág.67
Tabela 5.3 - Potência elétrica (WEL) em kW, absorvida pela bomba de calor em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria
orgânica. Pág.68
Tabela 5.4 - Potência a permutar com o terreno, em kW, em função da
temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Pág.69 Tabela 5.5 - Rendimentos específicos aproximados das superfícies de
terreno para permutadores em caracol. [Fonte: www.caleffi.pt] Pág.70 Tabela 5.6 - Superfícies de terreno (S), em m2,necessárias para a
instalação dos permutadores em caracol. Pág.71
Tabela 5.7 – Dimensões do coletor geotérmico horizontal. [Fonte:
www.rehau.com] Pág.72
Tabela 5.8 – Comprimento total de tubos (L), em metros, em função
da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Pág.72 Tabela 5.9 - Rendimentos térmicos específicos, ηter, para sondas
geotérmicas. [Fonte: www.caleffi.pt] Pág.74
Tabela 5.10 - Número de furos necessários para instalação do sistema
GCHPs vertical. Pág.74
Tabela 5.11 – Preço de um furo geotérmico de alta profundidade
Tabela 5.14 - Comparação do payback, em anos, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do
gás natural. Pág.77
Tabela 5.15 – Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da
energia elétrica. Pág.78
Tabela 5.16 - Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do
gás natural. Pág.78
Tabela 5.17 – Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição
da energia elétrica. Pág.79
Tabela 5.18 - Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição
Carateres Romanos
a – taxa de atualização
a1, a2 – coeficientes de perdas térmicas (W/m2 ⁰C e W/m2.ºC2) A – área útil de absorção (m2)
cp–calor específico da mistura (kJ/kg.ºC)
de – diâmetro exterior (mm)
di – diâmetro interior (mm)
ECT – carga térmica (MJ/mês)
Eútil – energia útil (MJ)
Eincidente – energia incidente (MJ/m2)
Ecaptada – energia captada (MJ/m2)
Esolar – energia solar (MJ)
f – fração solar
H – radiação global incidente corrigida (kWh/m2) I – radiação incidente (W/m2)
k – coeficiente de correção de inclinação do coletor
L – comprimento total de tubos (m)
n – tempo de vida (anos)
Qútil – potência útil (kW)
Qter - potência a permutar com o terreno (kW)
S – superfície de terreno (m2)
Tambiente – temperatura ambiente média de cada mês (ºC)
Tágua rede – temperatura da água da rede (ºC)
T – temperatura (ºC)
Tótima – temperatura ótima de funcionamento do processo de digestão anaeróbia (ºC)
V – volume de mistura (m3)
ρ – massa volúmica da mistura (kg/m3), ηo – rendimento ótico
ηcoletor – rendimento do coletor
ηter – rendimento térmico específico linear
Abreviaturas
ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers AQS – Águas Quentes Sanitárias
CC-E – Compatible Controle COP – Coeficiente de Performance
CPC – Combound Parabolic Concentrator (Coletor Concentrador Parabólico) DRAOT - Direção Regional do Ambiente e Ordenamento do Território ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais
ENRRUBDA - Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos Biodegradáveis destinados a Aterros
ERSE – Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos EU - União Europeia
GSHP - Ground Source Heat Pumps GCHPs - Ground - Coupled Heat Pumps GWHPs - Groundwater Heat Pumps GPL – Gás de Petróleo Liquefeito n.d. – não disponíevel
ND - Número de Dias de cada mês
PE-Xa – Polietileno reticulado
TRH – Tempo de Retenção Hidráulico TRS – Tempo de Retenção Sólidos
UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket VS – Sólidos Voláteis
Capítulo 1
Introdução
A União Europeia definiu que até 2020, 20% das necessidades energéticas da Europa têm de ser asseguradas a partir de fontes renováveis. Pelo menos 25% desta energia será proveniente de biogás produzido a partir de resíduos orgânicos como: dejetos de animais, restos de comida, lamas de ETAR, etc. A produção de biogás a partir dos resíduos animais e lamas é uma forma eficaz de reduzir a as emissões de gases de efeito de estufa, particularmente de metano e amónia (Holm-Nielsen et al, 2009). A utilização de RSU para produção de energia secundária como alternativa aos combustíveis fósseis contribui para a redução da deposição de RSU em aterros assegurando a diminuição do aquecimento global (Esen & Yuksel, 2013).
O biogás é o combustível, derivado de biomassa, mais divulgado e aceite nos últimos anos, resultado da criação de instrumentos legislativos para o aumento da produção dos diversos sectores económicos envolvidos: da produção animal à agroindústria. Após a sua produção, o biogás pode ser queimado em caldeiras tradicionais para produção de calor ou ser utilizado como combustível para a geração de eletricidade ou produção combinada de calor e eletricidade (cogeração), através de diferentes tipos de tecnologias, tais como motores de combustão interna, turbinas a gás ou as mais recentes microturbinas ou pilhas de combustível. O biogás pode ainda ser utilizado para produção de compostos químicos, como combustível para veículos ou ser injetado na rede de gás natural (Garcia, 2011).
A diminuição das emissões de gases com efeito de estufa, resultante dos objetivos do protocolo de Quioto, assim como preocupações relacionadas com a saúde humana e a escassez energética requerem soluções mais sustentáveis para a gestão e reciclagem dos resíduos sólidos (urbanos e agropecuários), nos quais o biogás resultante
da digestão anaeróbia combinado com tecnologias de pré e pós-tratamento podem desempenhar um papel vital.
A digestão anaeróbia consiste num processo em que os resíduos orgânicos sofrem um processo de degradação, por ação de microrganismos anaeróbios, na total ausência de oxigénio. Trata-se de um processo que ocorre naturalmente quando as condições envolventes o propiciam e apresenta como um dos principais produtos o metano, gás com elevado potencial energético. Com a construção de digestores anaeróbios (biodigestores), é possível recriar as condições naturais de forma controlada.
No entanto, durante a digestão anaeróbia parte do biogás produzido é tradicionalmente usado para aquecer os biodigestores. É neste contexto que a energia solar surge como alternativa para garantir as necessidades energéticas da digestão anaeróbia, conduzindo a que a quantidade de biogás disponibilizada seja maior. Neste trabalho pretende-se estudar qual o retorno económico e energético resultante da valorização energética do biogás produzido com recurso à energia solar térmica.
Recentemente, devido aos sucessivos aumentos no preço dos combustíveis fósseis, a utilização energia solar para a aquecer biodigestores tonou-se muito atrativa. A energia solar pode oferecer uma alternativa viável e ao mesmo tempo amiga do ambiente quando comparada com as práticas convencionais, e pode contribuir significativamente para a redução de energia consumida, aumentando a quantidade de biogás disponível após processo (Yiannopoulos et al, 2008).
No entanto, a energia solar pode não conseguir assegurar as necessidades energéticas na totalidade, principalmente no período de inverno, em que há dias de céu encoberto (em que a intensidade de radiação é baixa). É neste contexto que a energia geotérmica surge como auxiliar ao sistema solar no aquecimento dos biodigestores para produção de biogás. A hipótese de utilização da energia geotérmica como solução no aquecimento dos biodigestores, em alternativa à utilizada tradicionalmente, e à energia solar térmica, também é equacionada nesta dissertação.
1.1. Objetivos
A presente dissertação tem como objetivos:
i) Realizar ensaios com lamas de ETAR para produção de biogás, à temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, analisando a quantidade de biogás produzida.
ii) Otimizar a produção de biogás em função da temperatura ótima e da
massa volúmica de matéria orgânica.
iii) Dimensionar um sistema solar térmico capaz de assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia, estabilizando a temperatura e aumentando a produção de biogás.
iv) Avaliar se o sistema solar térmico se apresenta como uma alternativa viável à utilização de parte do biogás produzido como fonte de calor dos biodigestores.
v) Estudo de impacte ambiental.
vi) Utilizar a energia geotérmica como energia auxiliar do sistema solar térmico ou como fonte de calor alternativa na produção de biogás.
vii) Dimensionar o sistema geotérmico de modo a garantir a produção de biogás e comparar esta solução com o sistema solar térmico.
1.2. Enquadramento
A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em especial no que diz respeito aos resíduos orgânicos. A União Europeia (EU), consciente dos impactos negativos decorrentes da deposição de resíduos orgânicos em aterro sanitário, impôs metas de diminuição, nomeadamente, uma redução percentual, em peso, de deposição em aterro a fração biodegradável para 75% em 2006, 50% em 2009 e 35% em 2016, face aos valores registados em 1995. Para dar forma às exigências impostas, criou-se o Plano Estratégico para os Resíduos Sólidos Urbanos (PERSU II) em vigor até 2016, e concretamente a Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos Biodegradáveis destinados a Aterros (ENRRUBDA) aprovada em 2003, de acordo com a Diretiva nº1999/31/CE de 26 de Abril transposta para o direito nacional através do Decreto-Lei nº152/2002, de 23 de Maio.
Em 2009 a produção de RSU em Portugal Continental atingiu cerca de 5,185 milhões de toneladas, cerca de 1,4 kg por habitante e por dia, valor que vem aumentando pelo menos desde 2001. Quanto ao destino final dos resíduos sólidos urbanos (RSU) produzidos, se tivermos em conta as metas previstas para o final do período de vigência do PERSU II, 2016, observa-se que apenas no caso da incineração há uma aproximação do valor previsto, não acontecendo o mesmo para os restantes (Tabela 1.1).
Tabela 1.1 – Dados reais em 2008 e metas do PERSU II para 2016 relativamente ao destino dos RSU (Fonte: APA)
2008 2016 (cenário moderado PERSU II)
Aterro 65% 25%
Incineração
(recuperação energética) 18% 20%
Valorização orgânica 8% 35%
Recolha seletiva 9% 20%
A reduzida percentagem de RSU destinados a unidades de valorização orgânica tem uma consequência direta na falta de espaço dos aterros em Portugal, estando na sua maioria com a capacidade de ocupação quase lotada. Se nada for feito ao nível do tratamento e destino dos RSU, Portugal não cumprirá as metas impostas pela EU, o que acarretará fortes penalizações e dificuldade em encontrar novas localizações para infraestruturas de tratamento e deposição.
Atualmente existem 29 sistemas de gestão de RSU em Portugal Continental, 12 na região Norte, 5 na região Centro, 6 nas regiões de Lisboa e Vale Tejo, 5 na região do Alentejo e 1 na região do Algarve. No âmbito da ENRRUBDA preconizou-se o agrupamento dos sistemas com vista ao tratamento de resíduos urbanos biodegradáveis (RUB) no continente (Figura 1.1).
Figura 1.1 – Evolução do número de infraestruturas de gestão de resíduos entre 1996 e 2005. [Fonte: PERSU II]
Analisando a Figura 1.1 constata-se que o número de unidades de valorização orgânica (por processos aeróbios, anaeróbios e pré-tratamento mecânico) existentes é de facto reduzido, apenas 8. Um aumento do número de unidades de valorização orgânica significaria retirar matéria orgânica dos aterros, poupando espaço e prevenindo o problema dos lixiviados, o que equivaleria a 50/56% em termos de carbono e hidrogénio, podendo dar origem a 30% de biomassa (Gonçalves, 2005).
Neste contexto, o tratamento biológico da fração orgânica dos RSU constitui uma solução necessária a ter em conta na gestão de resíduos, ao promover a redução da matéria orgânica, através dos processos de estabilização e de recuperação de nutrientes. A digestão anaeróbia assume particular destaque por utilizar ainda o conteúdo energético dos resíduos, convertendo‐o numa fonte de energia - o biogás (Vaz F., 2009). O ENRRUBDA assume particular destaque à valorização orgânica (Figura 1.2), por processos anaeróbios, em grande parte, com base na recolha seletiva de RUB. A digestão
anaeróbia é um método adequado para o tratamento de resíduos de instalações pecuárias, indústrias agro-alimentares, estações de tratamento de águas residuais (ETAR), produtores agrícolas e para tratamento de resíduos orgânicos em sistemas de gestão de resíduos (eds.Norte, 2008).
Figura 1.2 – Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão anaeróbia de RBU, dejetos de animais e biomassa verde para produção de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009]
O processo de digestão anaeróbia consiste na transformação biológica de uma grande variedade de resíduos orgânicos. Por isso, é um processo que necessita de condições ambientais em equilíbrio de modo a garantir uma maior produção de metano. No entanto, são muitos os fatores que influenciam o processo de digestão anaeróbia. A otimização de um biodigestor pode ser feita tendo em conta as condições de temperatura (sendo que as mais baixas requerem um aquecimento constante ou isolamento térmico do biodigestor), a quantidade e tipo de matéria orgânica e a forma de alimentação do biodigestor.
Manter um nível de temperatura ótimo, é fundamental para o crescimento e atividade das bactérias e, consequentemente, fundamental para obter os melhores resultados no que diz respeito à produção de biogás (Alkhamis et al., 2000).
Dejetos de animais RUB
Biomassa
Unidade de
valorização orgânica Digestão anaeróbia
Biogás Eletricidade e calor H2O CO2 O2 Fotossíntese Biomassa verde Fertilização
processo de digestão, tonando o aquecimento excessivamente dispendioso. Conduzindo a uma redução da quantidade de energia que poderia vir a ser gerada a partir do biogás (Axaopoulos et al., 2001 e Chandra et al., 2013).
É neste contexto, que a utilização de um sistema solar térmico capaz de satisfazer as necessidades térmicas do processo de digestão, poderá constituir uma solução alternativa, uma vez que ao substituir o biogás como fonte de calor, evita o consumo de biogás para consumo próprio. Deste modo, a produtividade energética do processo de digestão vai aumentar, ao mesmo tempo que se mantém uma solução totalmente renovável.
El-Mashad et al. (2003) e Yiannopoulos et al. (2008) descobriram que os sistemas solares térmicos são ótimos para prevenir variações de temperatura durante a noite e para manter os biodigestores à temperatura desejada, tornando o processo cerca de 80% mais eficiente (Figura 1.3). Segundo Tiwari e Chandra (1986) os biodigestores assistidos com sistemas solares produziram mais quantidade de biogás, esta diferença acentua-se ainda mais durante os meses de inverno.
Figura 1.3 – Instalação para produção de biogás com aquecimento solar (Dong & Lu, 2013).
O aquecimento a energia solar oferece uma solução amiga do ambiente e mais económica em alternativa ao aquecimento tradicional dos biodigestores e contrui significativamente para a redução do consumo energético e aumento da estabilidade do processo (Yiannopoulos et al., 2008 e Tiwari et al. 2003).
O sistema solar térmico terá de ser dimensionado de modo a garantir não só o aquecimento do biodigestor, como também de forma a assegurar a sua estabilidade térmica, uma vez que qualquer variação na temperatura ótima implica alterações significativas no desenvolvimento bacteriano e, consequentemente, na produção de biogás.
A energia disponibilizada pelo sol nem sempre é suficiente para manter os biodigestores aquecidos. Há, por exemplo, períodos chuvosos, dias frios onde o calor fornecido não é suficiente. Assim, para manter a temperatura, em qualquer circunstância, é necessário instalar um sistema de aquecimento auxiliar. Optou-se pela energia geotérmica, por se tratar também de uma fonte renovável e devido ao potencial geotérmico existente em Portugal.
Tal como a energia solar, a energia geotérmica tem sido estudada como fonte de energia no processo de digestão anaeróbia para a produção de biogás (Dong & Lu, 2013). Esen e Yuksel (2013) estudaram uma solução combinada de biogás, energia solar e energia geotérmica para aquecimento de uma estufa na Turquia (Figura 1.4).
Figura 1.4 – Representação esquemática do sistema de aquecimento da estufa. (Adaptado de Esen & Yuksel, 2013)
Reator para produção de biogás Canalização de biogás Estufa Aquecimento
Coletor geotérmico horizontal (espiral) Bomba de calor
Coletores solares Vaso de expansão
pelo sistema geotérmico. A utilização de energia geotérmica combinada com o sistema solar térmico revelou-se uma alternativa bastante interessante. A energia solar obtida pelos coletores pode ser armazenada no subsolo permitindo um aumento considerável da temperatura deste. O calor daí gerado aquece o biodigestor (reator) ou pode ser aproveitado em coletores geotérmicos para aquecimento da estufa.
Na presente dissertação será analisada energeticamente a digestão anaeróbia de RUB para a produção de biogás, equacionando-se um sistema solar ou um sistema geotérmico, para aquecimento dos biodigestores.
1.3. Estrutura da Dissertação
A presente dissertação é composta por seis Capítulos, incluindo um primeiro de introdução ao tema e um final de conclusões.
No segundo Capítulo apresentam-se as fontes renováveis de energia para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia.
No terceiro Capítulo estuda-se a utilização de lamas de ETAR como substrato da digestão anaeróbia para produção de biogás, através da realização de ensaios à temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação.
O dimensionamento dos sistema solar térmico é apresentado no Capítulo 4. São calculadas as necessidades de aquecimento da digestão anaeróbia em função da temperatura ótima e da massa volúmica de matéria orgânica. Avalia-se a viabilidade económica da energia solar como fonte de calor na produção de biogás. Realiza-se o estudo de impacte ambiental da substituição da solução convencional pelo sistema solar térmico no fornecimento de calor para aquecimento dos biodigestores.
Finalmente, no Capítulo 5 dimensiona-se um sistema de aquecimento de biodigestores a energia geotérmica para duas tecnologias distintas: captação através de coletores geotérmicos (GCHPs) horizontais ou verticais. Estuda-se sob o ponto de vista económico e energético a utilização da energia geotérmica como alternativa à solução tradicional ou à energia solar para a produção de biogás.
Capítulo 2
Fontes renováveis
de energia como fonte de calor para a digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia é um processo biológico que tem lugar na ausência de oxigénio e através do qual se verifica a degradação da matéria orgânica por ação de microrganismos, para produzir biogás. O processo de degradação ocorre por ação combinada de diferentes populações microbianas, anaeróbias facultativas ou anaeróbias obrigatórias, segundo três etapas principais:
i) Hidrólise e acidogénese: São as duas primeiras etapas do processo, ocorrendo a hidrólise de matéria complexa em compostos mais simples. Os produtos finais principais desta etapa são ácidos gordos voláteis, dióxido de carbono e hidrogénio. Em alguns processos industriais o processo de hidrólise é efetuado numa etapa preliminar de forma a degradar os hidratos de carbono, antes da matéria ser adicionada ao digestor. Este método possibilita um maior rendimento na produção de metano e reduz o tempo de digestão;
ii) Acetogénese: Nesta etapa, as bactérias acetogénicas são responsáveis pela decomposição dos produtos da acidogénese. Os principais produtos deste processo são o acetato, o hidrogénio e o dióxido de carbono;
iii) Metanogénese: As bactérias metanogénicas concretizam a fase final do processo, convertendo o ácido acético, o hidrogénio e o dióxido de carbono em metano. Estas bactérias podem ainda usar como substrato o metanol e outros compostos.
Neste processo, parte da matéria biodegradável é transformada em biogás, gás essencialmente constituído por metano e dióxido de carbono, resultando o excedente na produção de composto com possível valor comercial (eds.Norte, 2008).
Com se trata de um processo biológico, manter as condições de vida é essencial. Assim sendo, a digestão anaeróbia é influenciada pela temperatura, concentração de
matéria orgânica no biodigestor, tipo de matéria orgânica (substrato), tempo de retenção hidráulico (TRH) e agitação, etc. Estas diferenças no modo de operação e tipo de processo apresentam‐se nos próximos subcapítulos.
2.1. Fatores que influenciam a digestão anaeróbia
2.1.1. Temperatura
A temperatura à qual a digestão anaeróbia ocorre influência significativamente a qualidade, a estabilidade e a velocidade de reação e consequentemente a produção de metano. Existem três intervalos de temperatura ótimos (Figura 2.1) distintos para a digestão anaeróbia: psicrofílico (<30°C), mesofílico (30-50°C) e termofílico (50-60°C). Contudo os micro-organismos anaeróbicos produtores de metano estão presentes nos intervalos mesofílicos e termofílicos, sendo que a maioria deles pertence à digestão mesofílica (Hilkiah Igoni et al., 2008).
Figura 2.1 – Influência da temperatura no tempo de retenção para que a digestão anaeróbia ocorra. [Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008]
Durante o intervalo termofílico, com o aumento da temperatura, o processo de digestão anaeróbia torna-se gradualmente mais instável, requerendo mais energia, apenas
Te m p era tu ra [º C] Micro-organismos mesofílicos Micro-organismos termofílicos
Tempo de retenção em dias 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
mais importante. Os micro-organismos metanogénicos são sensíveis a variações repentinas de temperatura. Mesmo variações pequenas da temperatura podem levar a uma diminuição substancial da atividade dos micro-organismos, para intervalos de temperatura mesofílicos de 40°C a 50°C chega mesmo a ser um processo irreversível, com perda completa da atividade (Deublein & Steinhauser, 2008)
Assim, as oscilações de temperatura nunca deverão ultrapassar os 2°C. Caso contrário, poderão ocorrer perdas na ordem dos 30% na produção de metano. Deublein e
Steinhauser (2008) defendem que o balanço de energia é melhor para intervalos mesofílicos de que para intervalos termofílicos. Assim, o intervalo de temperatura ótimo escolhido para a produção de metano é o intervalo mesofílico de 30°C a 40°C.
2.1.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH)
O volume do digestor pode ser definido com base no tempo de retenção de sólidos dado que o processo de digestão é função do tempo requerido pelos micro-organismos para digerir a matéria orgânica e para a reprodução. Em sistemas sem retirada de sobrenadante, o tempo de retenção de sólidos (TRS) é igual ao tempo de retenção hidráulico (TRH) (Garcia, 2011).
A digestão anaeróbia é um processo lento e leva cerca de três semanas para que os micro-organismos de adaptem às novas condições, sempre que a temperatura ou o substrato variem (Rajendran et al., 2012). TRT é o tempo médio de retenção da matéria orgânica no biodigestor. Para intervalos mesofílicos o tempo de retenção varia entre 20 e 50 dias (Figura 1.5). Com tempos de retenção mais curtos há risco das bactérias metanogénicas sofrerem lavagem, enquanto que tempos de retenção mais longos requerem um maior volume de biodigestor e consequentemente um maior investimento (Yadvika et al., 2004).
2.1.3. Agitação
A agitação é também um parâmetro essencial para otimizar a produção de biogás. Agitação a mais pode stressar os micro-organismos e na ausência de agitação há formação de escória (Rajendran et al., 2012).A agitação serve para manter a concentração de matéria orgânica uniforme, mantendo a temperatura constante e prevenindo a formação de escória e a deposição de resíduos sólidos. Os principais sistemas de agitação em digestores anaeróbios incluem: a) recirculação de lamas, b) agitação mecânica e c) recirculação e injeção de biogás (Hilkiah Igoni et al., 2008 e Yadvika et al., 2004).
A agitação nem sempre é aplicada de forma contínua, é muitas vezes intermitente, podendo ser realizada várias vezes ao dia ou por hora (Ward et al.,2008).
2.1.4. Tipo de matéria orgânica (substrato)
Em teoria, quase todos os tipos de biomassa são degradáveis por processos anaeróbios. Contudo, a escolha de substrato depende da sua facilidade de acesso, do tipo de biodigestor e das condições de operação. Os resíduos deverão conter os níveis adequados de matéria orgânica e de elementos essenciais ao crescimento e multiplicação dos microrganismos intervenientes no processo (Gonçalves, 2005). Os dejetos de bovino/suíno são a fonte tradicional para produção de biogás por digestão anaeróbia. A sua escolha deve-se ao elevado teor em metano, cerca de 60%, para dejetos de suíno, e cerca de 50%. para dejetos de bovino. Já os RUB são substratos pouco explorados, pois contêm um alto teor em gordura (gordura animal ou óleo vegetal) que pode aumentar significativamente a quantidade de biogás produzida (Rajendran et al., 2012).
Os diferentes tipos de substratos utilizados para a produção de biogás, estão classificados de acordo com a quantidade de matéria seca, teor de cinzas, nutrientes digestíveis totais e quantidade de biogás produzida (Tabela 2.1).
Tabela 2.1 – Caracterização dos diferentes tipos de substratos utilizados para produção de biogás. [Fonte: Rajendran et al., 2012]
Tipo de substrato Classificação Matéria seca (%) Teor em cinzas (%) Nutrientes digestíveis (%) Quantidade de biogás produzida Dejetos Bovino 38 14 92 0,6-0,8 m3/kg TS Suíno 20-25 n.d. n.d. 0,27-0,45 m3/kg TS Bufálo 14 n.d. n.d. n.d. Cavalo 28 n.d. n.d. 0,4-0,6 m3/kg TS Humanos 20 n.d. n.d. n.d. Resíduos Agricultura Arroz 91 13 40 0,55-0,62 m3/kg TS Trigo 91 8 43 0,188 m3/kg VS Milho 86 n.d. n.d. 0,4-1,0 m3/kg TS Erva 88 6 58 0,28-0,55 m3/kg VS Café 28 8 n.d. 0,300-0,450 mVS 3/kg Restos de comida Leite 94 10 82 n.d. Vegetais 5-20 n.d. n.d. 0,4 m3/kg TS Fruta 17 2 70 n.d. Ovos 25 n.d. n.d. 0,97-0,98 m3/kg TS Cereais 85-90 n.d. n.d. 0,4-0,9 98 mTS 3/kg Cozinha/Restaurante 27/13 13/8 n.d. 0,506/0,650 mCH 3 4/kg VS
2.1.5. Tipos de biodigestores (reatores)
Existem dois tipos básicos de biodigestores (reatores) que podem ser utilizados para processos de digestão anaeróbia, descontínuo e contínuo (Figura 2.2). Num processo
batch ou descontínuo, a matéria orgânica é introduzida na totalidade no reator, ficando
retida durante um determinado período de tempo até ao final da degradação. Isto implica que as diferentes fases de degradação ocorram sequencialmente e que a produção de biogás se processe de forma descontínua. Num processo contínuo, a matéria orgânica está continuamente a ser adicionada ao reator com consequente saída contínua de matéria tratada, permitindo que o volume se mantenha constante ao longo do tempo. Nesse sentido, as reações ocorrem simultaneamente, produzindo biogás de forma contínua.
Figura 2.2 - Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo. [Fonte: eds.Norte, 2008]
Existem três modelos principais de digestores anaeróbios em descontínuo (Figura 2.3): reator simples de apenas uma fase, reator descontínuo de duas fases (neste caso a metanogénese ocorre apenas no segundo reator) e reator descontínuo híbrido UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
Figura 2.3 - Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com biomassa em suspensão. [Fonte: eds.Norte, 2008]
O CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) trata-se do modelo de digestor anaeróbio mais utilizado que se caracteriza pela ininterrupta alimentação, assim como, pela contínua saída de efluente do mesmo. A agitação proporciona as condições de mistura fundamentais ao funcionamento adequado do sistema. Devido às suas características é adequado para o tratamento de resíduos concentrados, com elevado teor de sólidos e de material grosseiro, facilitando a manutenção da biomassa estável no interior do digestor.
O reator de contacto é semelhante ao CSTR, no entanto, apresenta um sistema de separação e recirculação de lama.
O processo de um digestor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) consiste na formação de grânulos de microrganismos que devido à sua densidade apresentam facilidade de sedimentação e proporcionam uma grande área ativa para contacto com o substrato,
aumentando o rendimento do processo. Este modelo de reator tem capacidade para tratar elevadas cargas orgânicas de natureza solúvel.
O modelo fluxo-pistão caracteriza-se pela entrada do resíduo no digestor por um dos lados provocando a deslocação de todo o conteúdo do digestor, culminando com uma saída do lado oposto da mesma quantidade de resíduo tratado. O biogás formado fica retido na cobertura de tela.
2.2. Energia Solar
A energia solar apresenta um potencial elevadíssimo. Esta energia alcançada na terra, relativamente a duas semanas, é equivalente à energia armazenada em todas as reservas conhecidas de carvão, petróleo e gás natural. A energia solar atinge a atmosfera terrestre com a intensidade da ordem de 1373 W/m2e dispõe de uma média anual de 2200 a 3000 horas de Sol no Continente, e de 1700 e 2200 horas, respetivamente, para os arquipélagos dos Açores e da Madeira. Em condições de céu claro e segundo um plano perpendicular este valor reduz-se a cerca de 1000 W/m2 junto à superfície terrestre, uma vez que parte desta energia inicial é absorvida ou refletida pela atmosfera (Figura 2.4) (DGEG, 2013).
Figura 2.4 - Representação gráfica da radiação solar global na Península Ibérica (valores anuais em kWh/m2). [Fonte: http://www.solarfeedintariff.net]
Todas as formas de energia renovável são, de um modo geral, com exceção da energia geotérmica e da energia das marés, derivadas da energia solar, com a qual estão relacionadas. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica.
Um sistema solar é composto por três elementos básicos, sendo eles, a disposição do coletor, do sistema térmico de armazenamento e da carga. A maioria dos sistemas solares consiste numa combinação de fontes solares e auxiliares, sendo estes apelidados de sistemas ativos.
Os sistemas ativos são considerados, em que o transporte de calor se faz por meios artificiais, ou seja, sendo necessário despender energia. Este é o caso de sistemas de aquecimento de águas em que o fluido que circula nos coletores é acionado por uma bomba.
Nos sistemas passivos o transporte e utilização do calor são feitos por meios naturais, sem dispêndio de energia auxiliar.
A circulação do fluido térmico pode realizar-se de duas formas:
i) Sistema de circulação forçada: utiliza uma bomba que promove o transporte do fluido térmico entre os coletores e o depósito. O fluido no circuito primário transfere o calor através de um permutador (e.g. serpentina) que pode estar ou não localizado no interior do depósito acumulador da água de consumo. Trata-se de um sistema regulado através de comando diferencial que ativa a bomba sempre que a água estiver mais quente nos coletores do que no depósito;
ii) Sistema com termossifão: dependente da circulação natural do fluido térmico, com base na diferença de densidades e na ação da gravidade. Sempre que exista diferença de temperatura entre o depósito e o coletor, a água quente, tendo uma densidade menor, sobe do coletor para o depósito sendo reposta por água mais fria que desce e reentra no coletor.
2.2.1. Vantagens e desvantagens da energia solar térmica
A utilização de energia solar em Portugal tem algumas vantagens óbvias, que começam na quantidade de horas de sol existentes no nosso país. É a fonte de energia mais barata, diminuindo os custos de exploração, aumenta a independência dos aumentos de preços dos combustíveis fosseis, logo permite obter uma poupança energética e económica (que chega a atingir em alguns casos mais de 80%) e constante, mesmo nos dias nublados, não polui o ambiente. Também a grande disponibilidade de tecnologia no mercado, são fatores que transformaram a energia solar térmica uma das mais comuns, vantajosas e atrativas formas de energia renovável.
A grande desvantagem deste tipo de energia, é o elevado investimento inicial na instalação solar, apresenta-se por vezes, como o maior entrave ao desenvolvimento desta
2.2.2. Coletores solares
Este tipo de energia é determinada pela capacidade de um dado corpo ser capaz de absorver energia, sob a forma de calor, a partir da radiação solar. A utilização desta forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Neste contexto, os equipamentos mais utilizados com o objetivo específico de se utilizar a energia solar térmica são conhecidos como coletores solares.
Os coletores solares são, em termos práticos, aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos), e são classificados por coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. De um modo geral, os coletores a água (líquido), são mais usados, uma vez que os líquidos transferem melhor o calor que o ar. A água é aquecida usando a energia proveniente dos raios solares captados por um ou mais coletores solares. No sistema solar a instalar, para além dos coletores solares é incluído um acumulador, que terá a função de armazenar água quente. Para assegurar a continuidade do abastecimento de água quente nos dias mais cinzentos, um sistema solar tem de contemplar a existência de um sistema de apoio energético.
Existem vários tipos de coletores solares térmicos (sem cobertura, planos, seletivos, vácuo, CPC, etc.), cada um destinado a diferentes aplicações com custos e ganhos energéticos próprios (Figura 2.5).
Figura 2.5 - Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano; b) Coletor concentrador parabólico; c) Coletor de tubos de vácuo. [Fonte: www.energiasrenovaveis.com]
O coletor solar plano é o mais comum e destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 60ºC. É formado por uma: a) cobertura transparente que serve para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a
estanquicidade do coletor; b) placa absorsora: serve para receber a energia e transformá-la em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maior rendimento existem superfícies seletivas que absorvem como um corpo negro mas perdem menos radiação; c) caixa isolada que serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do coletor dos agentes externos. Ao fazer circular o fluido térmico através dos tubos dos coletores, retira-se calor destes podendo aproveitar este calor para aquecer um depósito de água;
Os coletores de tubo de vácuo consistem geralmente em tubos de vidro transparente cujo interior contêm tubos metálicos (absorvedores). A atmosfera interior dos tubos livres de ar, eliminam desta forma as perdas por convenção, elevam o rendimento a altas temperaturas devido a menores coeficientes de perda a eles associados;
Os coletores concentrador parabólico (CPC) distinguem-se dos coletores planos pelo uso de refletores para concentração da radiação e pela geometria da superfície absorsora. Nos coletores planos existe uma superfície plana à qual estão soldados os tubos. No caso dos CPC’s a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e colocadas no foco da superfície refletora. A captação solar realiza-se nas duas faces das alhetas já que o sol incide na parte superior das alhetas e os raios que são refletidos acabam por incidir na parte inferior das alhetas, aumentado assim ainda mais a temperatura do fluido e diminuindo as perdas térmicas.
Os coletores solares planos são, hoje em dia, largamente usados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc. Estes coletores são largamente utilizados nestas áreas, devido ao facto de proporcionarem conforto e também, pelo facto, de ser possível obter uma redução da fatura energética. Os coletores planos não permitem obter temperaturas superiores a 90ºC. Quando se pretende temperaturas mais elevadas têm de se usar coletores de vácuo (até 50ºC), ou concentradores (temperaturas ainda superiores). Os coletores solares são normalmente dimensionados para satisfazer entre 60% a
Um sistema de aquecimento deste tipo implica a instalação de uma série de painéis solares em coberturas inclinadas, estando quase sempre por debaixo deles, dentro ou fora da cobertura, o reservatório térmico de água. Estes sistemas de aquecimento, prevendo os dias de céu encoberto, estão associados a sistemas complementares de aquecimento elétricos, a gás ou energia geotérmica, que se ligam automaticamente quando o nível de aquecimento pretendido não for atingido.
2.2.3. Contributo para a redução das emissões de CO2
O agravamento do efeito de estufa é um dos problemas mais discutidos na atualidade, sobretudo pela queima de combustíveis fósseis para produção de energia elétrica, originando um elevado volume de emissões de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera.
Em 1997 foi aprovado no âmbito das Nações Unidas o Protocolo de Quioto, onde foram identificados muitos dos gases responsáveis pelo aumento do efeito de estufa, nomeadamente o CO2, o metano, o óxido nitroso, os clorofluorcarbonetos, etc.
O contributo que os sistemas solares térmicos podem ter na redução de emissões de CO2e (1) (CO2 equivalente) pode ser expresso indiretamente pela quantidade de
combustível fóssil que se evitou queimar, na produção de Águas Quentes Sanitárias (AQS). À escala nacional, a extensão da adoção de sistemas solares térmicos para mais 20% das famílias portuguesas daria origem a uma redução de emissões de CO2 apresentada na Figura 2.6.
Figura 2.6 - Estimativa de poupança de emissões de CO2e na produção de AQS através da implementação de
instalações solares térmicas em 20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)]
Da análise da Figura 2.6 conclui-se que os GPL’s são responsáveis por mais de 190 mil toneladas de CO2e e o gás natural com mais de 107 mil toneladas.
2.3. Energia Geotérmica
A Terra contém uma notável quantidade de calor. Segundo os conhecimentos atuais, cerca de 99% da sua massa encontra-se a temperaturas que ultrapassam os 1000°C, com valores compreendidos entre os 6000 e os 6500°C no núcleo central. A energia geotérmica é a designação dada ao aproveitamento do calor proveniente do interior da Terra. O interesse atual por este tipo de calor deve-se ao facto de poder vir a ser uma importante fonte de energia alternativa, que pode ser utilizada, por exemplo, para produzir energia elétrica, para realizar processos tecnológicos, para aquecer ambientes e para obter AQS (água quente sanitária). O aproveitamento da energia geotérmica implica a existência de um fluido que transporta o calor do interior da terra para a superfície.
Os recursos geotérmicos são normalmente classificados de acordo com a entalpia específica do fluido, sendo divididos, em duas categorias: a) Recursos de baixa entalpia com temperaturas entre 20 e 150ºC, com aplicações diversas: no aquecimento industrial, de habitações (climatização e AQS) ou estufas, na desidratação de frutos e vegetais, aquacultura, balneoterapia, entre outros; b) Recursos de alta entalpia com temperaturas superiores a 150ºC, em que o calor latente pode ser convertido em energia elétrica.
Portugal continental possui um apreciável potencial geotérmico, devido à sua complexa e diversificada geologia, evidenciada pelo elevado número de ocorrências com temperatura de emergência superior a 20°C, utilizadas com finalidades termais desde a colonização romana (Figura 2.7). Considerando como água termal a água de origem subterrânea, cuja temperatura de emergência excede os 20°C, verifica-se que muitas águas minerais possuem temperatura superior a esse valor. As ocorrências de água termal em Portugal continental encontram-se desigualmente distribuídas observando-se uma concentração mais pronunciada a Norte. Isto deve-se à localização dos acidentes tectónicos, que favorecem a circulação ascendente rápida dos fluidos.
Maciço Hespérico Zona Centro Ibérica Sub-zona Galiza Média Zona de Ossa Morena Zona Sul Portuguesa Orlas Meso-Cenozóicas Ocidental e Meridional
Bacia Terciária do Tejo e Sado Ocorrência Termal
Ocorrência termal em exploração Temperaturas 20ºC ≤ T < 40ºC 40ºC ≤ T < 60ºC 60ºC ≤ T < 80ºC Falha Possível falha
Nos últimos anos tem-se vindo a observar um interesse crescente na realização de estudos e projetos para o aproveitamento da energia geotérmica, para uso direto, nomeadamente o aquecimento dos próprios estabelecimentos termais, de unidades hoteleiras, de piscinas, de estufas agrícolas e para AQS (Figura 2.8).O aproveitamento do recurso geotérmico de baixa entalpia é uma alternativa de futuro, como já acontece em outros países da Europa, espera-se o crescimento deste mercado em Portugal.
Figura 2.8 - Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das Dunas, localizada na Costa de Prata, Santa Cruz é um projeto eco-friendy que utiliza a energia geotérmica para o aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A água proveniente das termas de Chaves é utilizada para aquecimento do hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte: http://www.joiadasdunas.com e Lourenço, M. (n.d.)]
A energia geotérmica, em relação a outras fontes de energia, tem a vantagem de não depender das condições atmosféricas (por ex.: sol, vento ou marés), nem sequer das reservas de substâncias combustíveis (por ex.: biomassa). Trata-se, por isso, de um tipo de energia estável e fiável.
Com os sistemas Ground Source Heat Pumps (GSHP) é possível aproveitar o calor armazenado no subsolo ou em águas freáticas para climatizar os nossos edifícios de forma mais económica, contribuindo para solucionar o problema da degradação ambiental do planeta.
Nas estações frias, o calor armazenado no subsolo é recuperado através de um sistema de tubos subterrâneos, localizado perto da bomba de calor. Nas estações frias o processo é invertido, sendo o calor transferido e dissipado no solo.
Este sistema permite que estas unidades tenham uma elevada eficiência energética. As bombas de calor conseguem proporcionar por si só o aquecimento no Inverno ou o arrefecimento no Verão, constituindo um sistema de climatização integral com uma única instalação.
A bomba de calor funciona a eletricidade, não necessitando de outra fonte de energia como combustíveis fósseis. Assim, não liberta gases resultantes de queima, nomeadamente CO2, tonando-se uma tecnologia muito competitiva em termos de conforto, também devido ao reduzido nível de ruído.
Com a profundidade aumenta o rendimento térmico dos sistemas geotérmicos (Figura 2.9), já que abaixo dos 20 m (devido ao efeito do calor produzido pela terra) a temperatura do subsolo cresce cerca de 3°C a cada 100m.
Figura 2.9 - Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo. [Fonte www.ecoforest.es]
Um sistema GSHP tem três componentes principais: uma bomba de calor, uma ligação à terra e um sistema de distribuição aquecimento/arrefecimento no interior do edifício (Figura 2.10). Estes três componentes principais, juntamente com as diferentes
Fevereiro Maio Novembro Agosto
Figura 2.10 – Componentes do sistema GSHP: 1) Bomba de calor; 2) Ligação à terra; 3) Sistema de aquecimento/arrefecimento do interior [Fonte: Tavares J. (2011)]
A ligação à terra é onde o calor do subsolo se transfere para o fluido que circula nos tubos (de polietileno) enterrados. O fluido que circula é uma mistura entre água e uma solução anticongelante. Para além do subsolo como fonte de calor, também se usa águas subterradas ou mesmo águas superficiais. A American Society of Heating, Refrigerating
and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) adotou a seguinte nomenclatura para
distinguir os vários tipos sistemas de ligação terra existente:
a)“Ground - Coupled Heat Pumps” (GCHPs) – usa a terra como fonte de calor e utilizam-se permutadores horizontais ou verticais;
b) “Groundwater Heat Pumps” (GWHPs) – usa águas subterrâneas (lençóis freáticos) como fonte de calor.
No sistema GCHPs horizontal (Figura 2.11-a) os tubos são colocadas horizontalmente à superfície do terreno de 0,8 a 4 metros de profundidade conforme a orientação geográfica. São tubos sob pressão em polietileno ou cobre revestidos de PVC nos quais circula água glicolada ou fluido frigorígeno. Este sistema precisa de uma superfície de terreno de 1,5 a 2 vezes a superfície habitável a aquecer. A natureza do solo e a exposição do terreno têm muito pouca influência no sistema. O sistema não provoca nenhuma modificação no terreno: é possível jardinar, colocar relvado e arbustos à
1
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superfície do sistema. É possível plantar árvores ou colocar um revestimento (alcatrão, etc.) a uma distância mínima de 2 metros da zona de captação.
Os sistemas GCHPs verticais (Figura 2.11-b) não ocupam espaço no terreno e apresentam menos flutuações de temperatura porque as sondas são colocadas num ou vários furos de 80 a 162 metros de profundidade, no entanto o custo de instalação é superior ao do GCHPs horizontal.
No sistema GWHPs (Figura 2.11-c) o circuito capta o calor da água de um lençol freático com um furo profundo geralmente de 8 a 50 metros, segundo as regiões. A bomba de calor capta a energia contida, não no solo como na captação horizontal ou vertical, mas na água do lençol freático que se mantém a uma temperatura constante todo o ano (de 9ºC a 12ºC). Este sistema bombeia a água por perfuração num primeiro furo a montante do lençol freático e em seguida deposita-a num segundo furo, ou num poço a jusante do lençol freático.
Figura 2.11 – Sistemas de ligação à terra para captação de energia geotérmica: a) captação horizontal; b)
a) b)
A utilização de GSHP, como tecnologia que permite a troca de energia com a crosta terrestre através de permutadores instalados no solo, poderá representar um potencial acrescido para a geotermia nacional. Nesta dissertação esta fonte de energia renovável irá ser utilizada para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia (Capítulo 5), podendo constituir uma solução alternativa à queima de biogás produzido e/ou funcionar como sistema auxiliar de energia do sistema solar térmico.
