UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
ASTRID LORENA TORRES ALBARRACIN
Biogás Oriundo de Resíduos Como Vetor
Energético no Brasil
CAMPINAS 2016
Dedicatória
A Deus por me dar a oportunidade de realizar meus sonhos e, aos meus pais e meus irmãos, cujo exemplo e apoio incondicional me fizeram ser quem sou hoje.
Agradecimentos
À minha família pelo incentivo à melhoria contínua em todos os aspectos de vida e à motivação para novos horizontes.
Ao meu orientador, Prof. Sergio Valdir Bajay, pela constante e sincera demonstração de amizade, apoio, incentivo, ensinamento e motivação aos desafios deste trabalho.
A todos os meus amigos, de dentro e fora do Brasil, que estiveram presentes durante a realização de todo o trabalho, acompanhando, e que de alguma forma fizeram parte deste estudo, em especial a todos os colegas do mestrado, e aos funcionários da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp.
Ao programa do PSE pela oportunidade do curso de mestrado e por contribuir com a minha formação, em especial a todos os professores que me fizeram aprender algo a mais, e me forneceram experiências únicas das quais levarei pelo resto da vida como boas lembranças.
À CAPES pelo apoio financeiro durante o mestrado.
Enfim, a todos aqueles que contribuíram direta ou indiretamente para o meu sucesso. A todos amigos e professores que fizeram com que conseguisse tornar meu sonho realidade.
Resumo
O biogás é uma fonte de energia que pode ser obtida a partir de vários resíduos de
atividades industriais, agropecuárias e florestais e, também, a partir de resíduos sólidos urbanos.
O biogás pode ser consumido como combustível industrial, alimentando caldeiras, fornos e secadores, ou ser utilizado, após alguma purificação, como combustível veicular. Tratamentos mais complexos, que eliminem a umidade e contaminantes e concentrem o seu teor de metano, podem transformá-lo em biometano, que substitui, ou complementa o gás natural. Um de seus usos mais difundidos, no Brasil e no mundo, é para gerar energia elétrica. A sua utilização mais adequada em cada circunstância depende de vários fatores, tais como o substrato disponível para a sua produção, seus custos, preços dos energéticos concorrentes e eventuais políticas públicas de fomento a certos usos.
A cadeia de valor da produção e aproveitamento energético do biogás envolve vários tipos de agentes. Incentivos ao crescimento do mercado do biogás devem atingir, na medida do possível, a maioria destes agentes. Entrevistas com estes vários tipos de agentes, realizadas no contexto de um projeto de P&D da ANEEL e analisadas nesta dissertação, indicaram suas visões sobre as principais barreiras e oportunidades para o crescimento do mercado de biogás no Brasil.
Com base nestas entrevistas, nas atuais políticas do governo brasileiro que afetam o biogás e em políticas públicas bem sucedidas para o biogás em outros países, novas políticas, classificadas em quatro categorias complementares, são propostas para alavancar toda a cadeia de valor do biogás no Brasil.
Abstract
Biogas is an energy source that can be obtained from several residues of industrial, agricultural and forestry activities, as well as from urban solid wastes.
Biogas can be consumed as an industrial fuel, feeding steam generators, furnaces and driers, or can be used, after some purification, as an automotive fuel. More complex treatments, which eliminate the moisture and contaminants and concentrate its methane content, can transform biogas into biomethane, which substitutes or complements natural gas. One of the most widespread uses of biogas, in Brazil and elsewhere, is the generation of electricity. The most adequate use of biogas in each circumstance depend on several factors, such as the available type of residue, the production costs, the prices of competing fuels and the existence of public policies fostering specific uses.
The value chain of biogas production and its use as an energy source engage several types of agents. Incentives for a growing biogas market should reach, as far as possible, most of these agents. Interviews with these several types of agents, carried out within a R&D project regulated by ANEEL and evaluated in this thesis, indicated their views about the main barriers and opportunities for the growth of the biogas market in Brazil.
Based on these interviews, on the current policies of the Brazilian government affecting biogas and on successful public policies for biogas in other countries, new policies, classified into four complementary categories, are proposed to foster the whole value chain of biogas in Brazil.
Lista de Figuras
Figura 1.1 Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014... 16
Figura 1.2 Matriz energética mundial em 2014 ... 17
Figura 1.3 Distribuição da oferta interna de energia elétrica por fonte no Brasil em 2014 ... 18
Figura 1.4 Tecnologias para conversão de biomassa em energia ... 20
Figura 1.5 Rotas para utilização de gás do lixo ... 23
Figura 2.1 Índices de abrangência da coleta de RSU no Brasil em 2013 ... 28
Figura 2.2 Distribuição da destinação final dos RSU coletados em 2013 ... 29
Figura 2.3 Quantidade de municípios por tipo de destinação adotada para os RSU em 2013 . 30 Figura 2.4 Municípios com iniciativas de coleta seletiva em 2013 ... 30
Figura 2.5 Opções de comercialização dos energéticos produzidos a partir de RSU ... 32
Figura 3.1 Hierarquia na gestão dos RSU, segundo a PNRS ... 39
Figura 3.2 Tecnologias utilizadas em biodigestores ... 41
Figura 3.3 Características técnicas de um aterro sanitário ... 42
Figura 3.4 Processo de compostagem... 47
Figura 3.5 Diagrama do processo em uma URE com combustão de lixo urbano em grelha e geração de energia elétrica ... 48
Figura 3.6 Esquema de um reator pirolítico ... 49
Figura 3.7 Processo de gaseificação ... 50
Figura 3.8 Tecnologias de aproveitamento energético de resíduos, a partir da produção de biogás ... 51
Figura 4.1 Modelos úteis para o cálculo da geração de biogás a partir de aterros sanitários ... 57
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Classificação dos tipos de resíduos para geração de biogás ... 26
Tabela 2.2 Produção de biogás por tipo de biomassa ... 26
Tabela 2.3 Geração de RSU em 2012 e 2013 ... 27
Tabela 2.4 Geração de RSU por região em 2013 ... 27
Tabela 2.5 Coleta de RSU em 2012 e 2013 ... 28
Tabela 2.6 Coleta de RSU por região em 2013 ... 28
Tabela 2.7 Volume de esgoto tratado por dia no Brasil em 2008, por regiões ... 33
Tabela 2.8 Porcentagens de tratamento de esgoto no Brasil em 2013, por regiões... 34
Tabela 2.9 Produção de biogás por tipo de dejeto animal ... 36
Tabela 2.10 Potenciais para a produção de biogás e bioeletricidade a partir da biodigestão de diversos tipos de resíduos no Brasil ... 37
Tabela 3.1 Rotas tecnológicas para o aproveitamento de resíduos sem a produção de biogás 51 Tabela 4.1 Valores sugeridos para a constante k, de acordo com o Banco Mundial ... 53
Tabela 4.2 Quantidades e características dos RSU do problema de otimização ... 59
Tabela 4.3 Dados técnicos e econômicos dos módulos de incineração... 60
Tabela 4.4 PCI do RSU por cidade... 61
Tabela 4.5 Resultados obtidos para o cenário em que x1, x2 >= 0 ... 61
Tabela 4.6 Resultados obtidos para o cenário em que x1, x2 >= 1 ... 62
Tabela 5.1 Programas de fomento da EPA para fontes renováveis de energia ... 70
Tabela 6.1 Barreiras e oportunidades indicadas por empresas públicas da cadeia do biogás .. 79
Tabela 6.2 Barreiras e oportunidades indicadas por empresas privadas da cadeia do biogás .. 80
Tabela 6.3 Comparação das principais tecnologias para geração de eletricidade a partir do biogás ... 81
Tabela 6.4 Produção de eletricidade a partir de biogás em alguns países europeus em 2013 .. 82
Tabela 6.5 Usinas de geração de eletricidade a partir de aterros sanitários no Brasil ... 82
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABIOGÁS Associação Brasileira de Biogás
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRELPE Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais
ACL Ambiente de Contração Livre ACR Ambiente de Contração Regulada AMJG Aterro Metropolitano Jardim Gramado ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis BIMSCHG Bundes-Immissionsschuttzgesetz
CCEE Câmara de Comercialização de energia elétrica CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CIBIOGÁS Centro Internacional de Energias Renováveis – Biogás COFINS Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social CONFAZ Conselho Nacional de Política Fazendária
CSLL Contribuição Social sobre Lucro Líquido DNE Direção Nacional de Energia
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
EEWÄRMEG Emeuerbare-Energien-Wärmegesetz
ENWG Energiewirsstschaftsgesetz
EPA Environmental Protection Agency
EPE Empresa de Pesquisa energética
ETAE Estação de Tratamento Anaeróbico de Efluentes ETE Estação de Tratamento de Esgoto
GDL Gás do Lixo
GEE Gases de Efeito Estufa GNV Gás Natural Veicular
ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços de Transporte Interestadual Intermunicipal e de Comunicação
IRPF Imposto de Renda de Pessoa Física IRPJ Imposto de Renda Pessoa Jurídica
IPI Imposto sobre Produtos Industrializados IPTU Imposto Predial e Territorial Urbano
ISS Imposto sobre Serviços de Qualquer Natureza ITBI Imposto sobre Transmissão de Bens Inter Vivos ITR Imposto Territorial Rural
LANDGEM Landfill Gas Emission Model
MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento MCTI Ministério da Ciência, tecnologia e Inovação
MDIC Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
NAMA Nationally Appropriate Mitigation Actions
OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico
ONU Organização das Nações Unidas O&M Operação e Manutenção
PASEP Programas de Formação do Patrimônio do Servidor Público PCI Poder Calorífico Inferior
PIS Programas de Integração Social PLANASB Plano Nacional de Saneamento Básico PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos
PPA Power Purchase Agreement
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica P&D Pesquisa e Desenvolvimento
REIDI Regime Especial de Incentivos para o Desenvolvimento da Infraestrutura
RHI Renewable Heat Incentive
ROC Renewables Obligation Certificates
RPS Renewable Portfolio Standards
RSU Resíduos Sólidos Urbanos SEB Setor Elétrico Brasileiro
TMB Tratamento Mecânico e Biológico UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket
UNFCCC Convenção Quadro da ONU sobre as Mudança do Clima URE Unidade de Recuperação de Energia
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 Apresentação ... 16
1.2 Objetivos da dissertação ... 24
1.3 Escopo do trabalho ... 25
2 RESÍDUOS DISPONÍVEIS PARA A PRODUÇÃO DE BIOGÁS NO BRASIL ... 26
2.1 Resíduos sólidos urbanos ... 27
2.1.1 Panorama atual dos RSU no Brasil ... 27
2.1.2 Aproveitamento energético dos RSU ... 31
2.2 Esgoto ... 32
2.2.1 Panorama atual da coleta e tratamento de esgotos no Brasil ... 32
2.2.2 Aproveitamento energético de esgotos ... 34
2.3 Resíduos industriais ... 34
2.4 Resíduos agropecuários e florestais ... 35
2.5 Potenciais técnicos para aproveitamento energético de resíduos da biomassa no Brasil ... 36
3 PRINCIPAIS ROTAS TECNOLÓGICAS PARA O APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE RESÍDUOS ... 38
3.1 Separação dos vários tipos de resíduos ... 38
3.2 Biodigestores ... 39
3.3 Aterros sanitários com aproveitamento energético ... 41
3.4 Geração de eletricidade a partir do biogás ... 42
3.4.1 Turbinas a gás ... 43
3.4.2 Microturbinas a gás... 43
3.4.3 Motores de combustão interna do ciclo Otto ... 44
3.5 Purificação do biogás ... 45
3.6.1 Compostagem ... 46
3.6.2 Unidade de recuperação de energia ... 47
3.6.3 Pirólise ... 48
3.6.4 Gaseificação ... 49
3.7 Síntese das rotas tecnológicas analisadas no capítulo ... 50
4 MODELOS MATEMÁTICOS PARA ESTIMAR O POTENCIAL DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE RSU ... 52
4.1 Modelos para estimar a produção de metano em aterros sanitários ... 52
4.1.1 Modelo Scholl-Canyon ... 53
4.1.2 Modelo LandGem ... 54
4.1.3 Modelo adotado pelo IPCC ... 55
4.1.4 Considerações gerais sobre os três modelos ... 56
4.2 Programa que estima o potencial de aproveitamento energético de ETAEs ... 57
4.3 Otimização do aproveitamento energético de RSU através de UREs ... 58
4.3.1 Um estudo de caso ... 59
5 POLÍTICAS PÚBLICAS E PROGRAMAS DE FOMENTO À PRODUÇÃO E UTILIZAÇÃO DE BIOGÁS NO BRASIL EEM PAÍSES SELECIONADOS ... 63
5.1 Políticas públicas de fomento ao biogás no Brasil ... 63
5.2 Alguns países da União Europeia ... 65
5.2.1 Alemanha ... 66
5.2.2 Reino Unido ... 67
5.3 Estados Unidos ... 68
5.4 Alguns países asiáticos ... 71
5.4.1 China ... 71
5.4.2 Japão ... 73
5.5 Alguns países da América Latina ... 74
5.5.1 Chile ... 75
6 CADEIA DE VALOR NA PRODUÇÃO DE BIOGÁS COMO VETOR ENERGÉTICO
NO BRASIL ... 77
6.1 Barreiras e oportunidades segundo as empresas que atuam na cadeia de valor do biogás ... 78
6.2 Geração de eletricidade ... 80
6.3 Produção de biometano combustível ... 83
6.4 Fabricantes de equipamentos ... 84
6.5 Empresas de engenharia ou de consultoria que atuam nesta área... 86
6.6 Pesquisa e desenvolvimento nesta área no Brasil ... 87
7 PROPOSTAS DE NOVAS POLÍTICAS PÚBLICAS DE FOMENTO AO BIOGÁS COMO VETOR ENERGÉTICO ... 90
7.1 Propostas de novas políticas públicas pelo lado da oferta ... 92
7.1.1 Desoneração fiscal ... 92
7.1.2 Facilidades creditícias ... 96
7.1.3 Apoio para conexão à rede elétrica ... 97
7.1.4 Fomento ao desenvolvimento tecnológico ... 97
7.2 Propostas de novas políticas públicas pelo lado da demanda ... 98
7.3 Propostas de novas políticas públicas transversais ... 99
7.4 Propostas de novas políticas de cunho ambiental para a gestão de resíduos ... 100
8 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 102
8.1 Resíduos sólidos urbanos ... 103
8.2 Resíduos agroindustriais ... 104
8.3 Resíduos de esgotos urbanos ... 105
8.4 Recomendações para trabalhos futuros... 105
ANEXOS ... 112
ANEXO A - Benefícios fiscais para geração de energia elétrica a partir de biogás ... 113
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
As fontes de energia são recursos fundamentais para o crescimento da economia de um país. Para o caso de países em desenvolvimento como o Brasil é um fator crítico, que pode afetar distintos setores da sociedade e da economia (COSTA et al., 2012).
Atualmente a produção e consumo de energia são fortemente baseadas em combustíveis fósseis altamente poluentes que geram gases de efeito estufa (GEE), representando riscos ao suprimento de longo prazo no planeta. É preciso, por tanto, estimular a produção de fontes renováveis de energia. Neste sentido, o Brasil está em uma posição mais confortável do que o resto do mundo, já que a oferta interna de energia proveniente de fontes renováveis no País em 2014 foi de 39,4% (Figura 1.1), enquanto que a média mundial naquele ano foi de 14,4% (Figura 1.2).
Figura 1.1 Oferta Interna de Energia no Brasil em 2014 Fonte: EPE (2015)
Figura 1.2 Matriz energética mundial em 2014 Fonte: IEA (2015)
Para incentivar a utilização de fontes renováveis alternativas na geração de energia elétrica, o governo brasileiro criou, em 26 de abril de 2002, mediante a Lei no 10.438, o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa), o qual posteriormente foi revisado pela Lei n. 10.762, de 11 de novembro de 2003. Após diversas mudanças efetuadas no modelo institucional do setor elétrico brasileiro, em 2004, a segunda fase do programa Proinfa, prevista na Lei no 10.438, foi descartada e as fontes renováveis alternativas passaram a ser incentivadas através de sua participação, com preços-teto favoráveis, em leilões visando selecionar novas usinas para o parque gerador. Em decorrência destas ações governamentais, fontes renováveis alternativas, como a solar, a eólica e a biomassa, passaram a ser vistas pelos empreendedores com uma perspectiva de investimento mais factível no contexto da geração de energia elétrica no Brasil.
A utilização da biomassa como fonte alternativa aos combustíveis fósseis é uma boa opção para reduzir os impactos ambientais e contribuir para a sustentabilidade da matriz energética dos países (FIGUEIREDO, 2011).
Segundo o texto do Acordo de Paris sobre o clima (COP-21), as Partes da Convenção Quadro da ONU sobre Mudança do Clima (UNFCCC)1 chegaram a um entendimento relativo
1 O governo brasileiro se comprometeu na COP-21 (21ª Conferência das Partes) a: reduzir, até 2025, as emissões
de GEE em 37%, em relação aos níveis de 2005; atingir, em 2030, uma participação de 45% de fontes renováveis na matriz energética nacional; aumentar a participação de fontes renováveis não hídricas, incluindo biocombustíveis, energia eólica e energia solar; fortalecer o cumprimento do Código Florestal, em âmbito federal, estadual e municipal; fortalecer o Plano de Agricultura de Baixa Emissão de Carbono como a principal estratégia para o desenvolvimento sustentável na agricultura; promover novos padrões de tecnologias limpas e
aos termos do mesmo, reconhecendo que as fortes mudanças climáticas, como o aumento da temperatura na superfície da Terra e uma maior quantidade de catástrofes naturais nos últimos anos, representam uma ameaça urgente e potencialmente irreversível para as sociedades humanas e para o planeta e, portanto, requer a cooperação de todos os países para acelerar a redução das emissões globais de GEE. Uma maior inclusão de fontes renováveis na matriz energética é um dos principais objetivos para se atingir novas metas de redução destes gases (UNFCCC, 2015).
As centrais elétricas de serviço público e os autoprodutores no Brasil geraram 590,5 TWh em 2014. As centrais de serviço público foram responsáveis por 84,1% da geração total. A principal fonte de geração de energia elétrica no País é a hidráulica, que gerou 65,1%2 da produção total de eletricidade em 2014 (Figura 1.3). A geração elétrica a partir de fontes não renováveis representou 25,6% do total nacional naquele ano (EPE, 2015).
Figura 1.3 Distribuição da oferta interna de energia elétrica por fonte no Brasil em 2014 Fonte: EPE (2015)
Conforme ilustrado na Figura 1.3, o Brasil continua muito dependente da fonte hídrica e de usinas termelétricas a gás natural para a geração de eletricidade. É preciso haver uma maior diversificação para garantir a segurança nacional, além da necessidade de uma maior inclusão de outras fontes renováveis de energia, além da hídrica, na matriz elétrica brasileira (MAMEDE, 2013).
ampliar medidas de eficiência energética na indústria; e promover medidas de eficiência na infraestrutura de transportes e no transporte público em áreas urbanas.
2 A geração de energia elétrica no Brasil a partir da fonte hídrica nos últimos anos foi superior à produção no ano
Nos países em desenvolvimento, como o Brasil, alguns projetos implantados de “energia verde” podem participar como vendedores de certificados de crédito de carbono no mercado internacional de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL)3. Os certificados comprovam que o projeto foi desenvolvido de maneira sustentável e que permite a captura de CO2. Por convenção, uma tonelada de CO2 corresponde a um crédito de carbono. O setor
elétrico pode participar do mercado MDL com usinas movimentadas por fontes renováveis alternativas, com programas de conservação de energia e projetos de reflorestamento. Os compradores dos certificados são as companhias situadas nos países desenvolvidos que podem utilizar os créditos adquiridos para diminuir os compromissos de redução das emissões (ANEEL, 2008).
Segundo PAVAN (2010), as tecnologias mais conhecidas para a produção de energia a partir de biomassa, seja calor, eletricidade ou combustível veicular, estão ilustradas na Figura 1.4 e podem ser classificadas em três grupos: i) processos de conversão termoquímica; ii) processos de conversão bioquímica; e iii) processos de conversão físico-químicos.
Nos processos de conversão termoquímica há a produção de uma quantidade significativa de calor durante o processamento. Reações endotérmicas e exotérmicas ocorrem nestes processos, cujos produtos e resíduos incluem gás de síntese (composto de hidrogênio gasoso, monóxido e dióxido de carbono), resíduos sólidos e, dependendo do processo, líquidos orgânicos. Estão incluídos neste grupo os processos de incineração, gaseificação, pirólise e liquefação.
Conversão bioquímica é a transformação de resíduos de biomassa mediante a decomposição por micro-organismos, acompanhada da produção de líquidos ou gases. A digestão anaeróbia (sem a produção de oxigênio) e a fermentação pertencem a este grupo. A digestão anaeróbia, que ocorre em aterros sanitários ou em biorreatores, produz o biogás. Na fermentação, por sua vez, os açúcares são convertidos em álcool pela ação de micro-organismos e os componentes finais são separados através de destilação.
Um processo de conversão fisico-química envolve a síntese física e química de produtos, como a transformação de óleos vegetais em biodiesel. As reações químicas são realizadas,
3 Entre os requisitos gerais que devem ser atendidos por um projeto candidato a receber recursos do MDL estão:
ter a participação voluntária dos atores envolvidos; contar com a aprovação do país onde será implantado; apoiar os objetivos de desenvolvimento sustentável definidos pelo país onde será implantado; reduzir as emissões de GEE em relação ao que ocorrerá se ele não dor implementado; contabilizar o aumento de emissões de GEE que ocorra fora dos limites das suas atividades e que seja atribuível a essas atividades; trazer uma estimativa dos impactos de suas atividades – as partes envolvidas e/ou afetadas por esses gases impactados deverão ter sido comprovadamente consultadas; e gerar benefícios climáticos – mensuráveis, reais e de longo prazo (FBB, 2010).
em geral, através do processo de transesterificação, que, por sua vez, pode empregar catalisadores alcalinos, ácidos ou enzimáticos e metanol ou etanol.
Os resíduos da biomassa podem ser classificados em: i) primários, que são aqueles produzidos na agricultura e silvicultura; ii) secundários, os gerados durante o processo produtivo (indústrias de alimentos, de bebidas, de papéis, entre outras); e, iii) terciários, os resultantes do pós-uso de resíduos secundários, correspondendo à fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (PAVAN, 2010).
Figura 1.4 Tecnologias para conversão de biomassa em energia Fonte: PAVAN (2010)
Países mais desenvolvidos, como a Alemanha, vêm investindo nos últimos anos em unidades de geração de energia elétrica a partir de biogás. Entre os anos 2000 e 2010, o número de unidades de biogás aumentou 6 vezes, totalizando aproximadamente 6.000 instalações. Neste período, a capacidade instalada de energia elétrica a partir de biogás aumentou 39 vezes, atingindo 2,28 GW (BACHMAIER et al., 2013). Dentro do mesmo período, a participação da geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis subiu de 6,3% para 16,8%. O principal instrumento legal responsável por este desenvolvimento é a lei
alemã sobre fontes renováveis de energia, aprovada em 01 de abril do ano 2000. Ela contém especificações detalhadas das tarifas feed-in de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia. Desde 2000, estas especificações foram alteradas várias vezes com fortes impactos sobre a estrutura das plantas de biogás e as matérias primas utilizadas (BACHMAIER et al., 2013).
O biogás é uma fonte de energia que pode ser obtida a partir de vários resíduos de atividades industriais, agropecuárias e florestais e, também, a partir de resíduos sólidos urbanos.
O biogás pode ser convertido em energia útil como combustível para: (i) motores de combustão interna, ou turbinas; (ii) queima em fogões, fornos, caldeiras ou secadores; ou (iii) para transporte, em frotas veiculares. A escolha de uma destas alternativas depende do sistema de coleta utilizado, do sistema de tratamento do biogás e do sistema de geração, ou recuperação de energia.
De acordo com Costa (2012), o biogás produzido nos aterros sanitários pela decomposição anaeróbica da matéria orgânica poderia ser uma ameaça ao ambiente local, se fosse uma emissão descontrolada, causando danos à vegetação, gerando odores desagradáveis e oferecendo riscos de explosão em concentrações entre 5% e 15% no ar. Além disso, o biogás pode ser, também, um problema global, pois é formado por cerca de 50% de metano, que é um gás causador do efeito estufa.
A disposição final dos resíduos sólidos urbanos (RSU) é um grande problema da sociedade, que envolve questões ambientais, sociais e de saúde pública. Após a disposição dos RSU em aterros sanitários, reações bioquímicas passam a ocorrer nos componentes orgânicos presentes. Em faixa próxima à superfície, devido à presença do ar atmosférico, ocorre a oxidação aeróbica destes compostos com formação de dióxido de carbono e vapor de água. Nas camadas mais profundas predomina a ausência de oxigênio, favorecendo a digestão anaeróbia. A coleta do biogás em aterros sanitários com a finalidade de aproveitamento energético requer o prévio planejamento da instalação dos equipamentos destinados para este fim, permitindo ao operador do sistema o monitoramento e o ajuste do fluxo de gás (FEAM, 2012).
O Guia de Orientações para os Governos Municipais do Estado de Minas Gerais (FEAM, 2012) destaca que a queima do biogás para o aproveitamento energético, ou obtenção de créditos de carbono gera benefícios ambientais expressos na produção de energia elétrica ou térmica a partir de um combustível renovável, na redução de odores representados pelas
emissões fugitivas dos aterros sanitários, bem como na queima de um gás de efeito estufa, o metano, 21 vezes mais potente que o CO2.
De uma forma geral, o aproveitamento do Gás do Lixo (GDL) apresenta as seguintes vantagens: redução das emissões de gases de efeito estufa; geração de receita para aterros existentes; utilização para geração de energia elétrica, ou como combustível; e redução da possibilidade de ocorrência de autoignição ou explosão, por conta das altas concentrações de metano. Por outro lado, as desvantagens associadas a este aproveitamento são: recuperação parcial do gás em aterros, sobretudo naqueles cuja construção não foi projetada para este fim; alto custo do tratamento necessário para o aproveitamento do gás; e diminuição da disponibilidade de combustível ao longo da vida útil do projeto (EPE, 2014b).
Outro processo para o aproveitamento energético de RSU utiliza a tecnologia de biometanização. Esta tecnologia tem como base a geração de biogás a partir da digestão anaeróbia da fração orgânica de RSU em reatores específicos. A digestão anaeróbia ocorre em quatro estágios: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese, com atuação predominante de diferentes grupos de bactérias em cada estágio (FEAM, 2012).
Dependendo do grau de tratamento realizado, o biogás, de uma forma geral, e o biogás proveniente de aterros sanitários, em particular, pode ser classificado como de baixa, média, ou alta qualidade. Conforme indicado na Figura 1.5, quando não há interesse no aproveitamento energético do GDL coletado em um aterro sanitário, ele é queimado in situ, transformando o CH4 contido no gás em CO2, que é menos prejudicial ao efeito estufa do
planeta. Um GDL de baixa qualidade pode ser utilizado para aquecimento local, aquecimento de processos, queimado em caldeiras, cujo vapor pode passar por turbinas a vapor que acionam geradores elétricos ou, então, ser purificado para se transformar em um biogás de média qualidade. A utilização de um GDL de média qualidade é mais ampla; ele pode ser empregado como combustível no aquecimento de processos e em caldeiras, mas também em turbinas, ou microturbinas a gás e em motores de combustão interna, que podem acionar geradores elétricos ou, ainda, passar por uma purificação adicional que o transforme em um biogás de alta qualidade. Finalmente, o GDL de alta qualidade pode ser consumido em células a combustível, ou no aquecimento de processos, ser injetado em gasodutos, ou ser empregado em outras aplicações, tais como na produção de metanol, ou como combustível veicular. O CO2 extraído durante a purificação do GDL pode ser vendido para fabricantes de
refrigerantes.
A produção de energia elétrica a partir de GDL e a venda desta para a rede pública pode ser uma boa alternativa, especialmente quando o uso final do biogás como combustível
não for viável. As vantagens do uso do GDL para geração de energia elétrica incluem a possibilidade de transmissão para longas distâncias, a disponibilidade de tecnologias para praticamente qualquer tamanho de aterro sanitário, e a alta eficiência energética, especialmente quando a geração de eletricidade é feita com o uso do ciclo combinado. As desvantagens desta alternativa de aproveitamento energético do GDL são a necessidade de um maior investimento de capital e maiores gastos para o pré-tratamento do gás.
Figura 1.5 Rotas para utilização de gás do lixo Fonte: EPE (2014b)
É importante mencionar que o aproveitamento econômico do GDL oriundo de aterros sanitários para geração de energia elétrica é limitado a aproximadamente 30 anos, enquanto que as emissões dos aterros duram mais tempo (EPE, 2014b).
As análises feitas nesta dissertação abrangem o biogás obtido a partir de diversos substratos. No entanto, algumas partes do trabalho se referem somente ao biogás proveniente de RSU, por conta de se ter tido acesso a pesquisas de campo e mais estudos de boa qualidade referentes a este substrato para a produção de biogás no país, do que outros substratos.
1.2 Objetivos da dissertação
Esta dissertação tem como objetivo geral identificar as principais barreiras atualmente existentes para a produção e uso energético do biogás no Brasil e avaliar as perspectivas de uma maior difusão no futuro desta alternativa de suprimento energético, à luz de novas políticas públicas de fomento, propostas neste trabalho.
Para atingir este objetivo geral, foram formulados os seguintes objetivos específicos: (i) Análise do atual uso energético do biogás no País e perspectivas para a sua
ampliação no futuro, de acordo com estudos anteriores a este, contemplados na literatura técnica consultada;
(ii) Processamento e análise das opiniões manifestadas, através de entrevistas, sobre os temas abordados nesta dissertação, por diversos “stakeholders” que atuam, ou interferem no mercado de biogás no Brasil – empresas e associações de limpeza pública, operadores de aterros sanitários, fabricantes de equipamentos para o processamento e utilização do biogás, empresas de consultoria e de engenharia especializadas neste ramo, órgãos governamentais que participam da formulação de políticas públicas que afetam a produção de biogás no País, associações setoriais que atuam nesta área e ONGs que tem interesse no desenvolvimento deste setor;
(iii) Apresentação de modelos computacionais que podem ser utilizados em estudos de aproveitamento energético do biogás e realização de um estudo de caso utilizando um destes modelos;
(iv) Proposta de novas políticas públicas para fomentar o uso energético de biogás no Brasil, com base em experiências bem sucedidas em outros países, sintetizadas na dissertação, e nas sugestões apresentadas pelos stakeholders que participaram do levantamento mencionado em (ii).
1.3 Escopo do trabalho
O capítulo dois apresenta as principais matérias-primas que podem ser utilizadas para obter o biogás no Brasil. Elas contemplam os resíduos sólidos urbanos, esgotos, resíduos industriais e resíduos agropecuários e florestais.
As rotas tecnológicas que permitem o aproveitamento energético do biogás produzido a partir dos resíduos apresentados no capítulo anterior são descritas no capítulo três. Descreve-se a separação dos diversos tipos de resíduos, a tipologia e o funcionamento dos biodigestores, como se efetua o aproveitamento energético do biogás oriundo de aterros sanitários, os processos de purificação do biogás para se obter o biometano e, também, o aproveitamento energético de resíduos sem a produção de biogás.
O capítulo quatro apresenta alguns modelos matemáticos utilizados nos estudos de aproveitamento energético do biogás, com destaque para o biogás produzido em aterros sanitários e em estações de tratamento de esgoto. Um destes modelos, utilizando técnicas de otimização, é ilustrado neste capítulo, à guisa de estudo de caso.
No capítulo cinco são analisadas políticas públicas e programas governamentais de fomento à produção e utilização de biogás no Brasil e em outros países da União Europeia, América do Norte, Ásia e América Latina.
A cadeia de valor do biogás como vetor energético no Brasil é discutida no capítulo seis. Neste capítulo são indicados os principais tipos de agentes que atuam, ou interferem no mercado de biogás no País. Uma amostra destes agentes foi entrevistada e suas opiniões sobre barreiras e oportunidades para a expansão deste mercado foi compilada e analisada. O capítulo se encerra com uma avaliação dos atuais esforços de pesquisa e desenvolvimento nesta área no Brasil.
A análise das conclusões e recomendações de estudos anteriores a este, descritas na literatura técnica consultada, as experiências bem sucedidas de políticas públicas e programas governamentais de fomento ao biogás no exterior e recomendações dos agentes de mercado compiladas no capítulo anterior permitiram a proposição, no capítulo sete, de novas políticas públicas e programas governamentais de fomento ao aumento da produção e consumo deste combustível na matriz energética brasileira.
O capítulo oito contém as conclusões finais deste trabalho e recomendações de possíveis trabalhos futuros que poderiam ser desenvolvidos a partir desta dissertação.
2 RESÍDUOS DISPONÍVEIS PARA A PRODUÇÃO DE BIOGÁS
NO BRASIL
Os resíduos orgânicos de origem vegetal, animal, agroindustrial, florestal e doméstico, entre outros, são matérias primas que podem ser utilizadas no processo de biodigestão. A Tabela 2.1 apresenta uma classificação dos resíduos aproveitáveis para a geração de biogás.
Tabela 2.1 Classificação dos tipos de resíduos para geração de biogás
Resíduos animais Esterco, resíduos de matadouros, resíduos de peixes Resíduos vegetais Ervas daninhas, resíduos de colheitas, palhas Resíduos humanos Esgotos
Resíduos sólidos urbanos Rejeitos de atividades domésticas e de varrição de ruas Resíduos agroindustriais Vinhoto, melaço, resíduos de sementes
Resíduos florestais Folhas, ramos e cascas de árvores
Resíduos de cultivos aquáticos Algas marinhas, ervas daninhas aquáticas Fonte: MINENERGIA et al. (2011)
As características bioquímicas presentes nos resíduos são as que permitem que ocorra uma atividade microbiana adequada. Alguns fatores como a temperatura e o pH, afetam a quantidade de biogás gerada. A Tabela 2.2 mostra a produção de biogás, em m3/t de biomassa, para vários tipos de matéria-prima.
Tabela 2.2 Produção de biogás por tipo de biomassa
Biomassa Produção de biogás
[m3/ton biomassa]
Fração orgânica dos RSU (lixo orgânico) 150 – 200 Vinhaça, torta de filtro, palha e bagaço (processamento de cana de
açúcar) 20 – 100
Dejetos animais (suínos, bovinos e de aves) 12 – 70 Matadouros (carne, sangue) 30 – 185
Cama de aviário 100 – 200
Resíduos agroindustriais (soro de leite, grãos, cervejeiros, resíduos
de hortifruti) 60 – 110
Resíduos de lavouras (soja, café, mandioca) 50 – 500 Glicerina (produção de biodiesel) 600 – 650 Culturas energéticas (milho, sorgo, triticale) 180 – 220
Lodos de esgoto 40 – 60
2.1 Resíduos sólidos urbanos
Os resíduos sólidos urbanos (RSU) são, em sua maioria, provenientes de atividades domésticas ou de limpezas nas ruas, incluindo alguns resíduos de atividades comerciais, ou industriais de similar natureza. Estes resíduos geralmente são compostos por uma fração de papel, resíduos alimentícios, madeira, papelão, vidro e metais, além de ter uma fração de derivados do petróleo como plásticos, gomas e telas sintéticas (MORATORIO; ROCCO; CASTELLI, 2012).
2.1.1 Panorama atual dos RSU no Brasil
A Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais (Abrelpe) compila e publica as estatísticas apresentadas nesta seção (ABRELPE, 2013b). A geração total de RSU aumentou 4,1% de 2012 para 2013 (vide Tabela 2.3), um incremento maior do que a taxa de crescimento populacional neste período (3,7%). A Tabela 2.4 mostra a geração de RSU, em t/dia, nas regiões do Brasil em 2013.
Tabela 2.3 Geração de RSU em 2012 e 2013
Ano Geração de RSU
[t/dia]
Geração de RSU per capita [kg/hab./dia]
2012 201.058 1,037 2013 209.280 1,041
Fonte: ABRELPE (2013b)
Tabela 2.4 Geração de RSU por região em 2013
Regiões População total [hab.]
RSU gerado [t/dia]
Geração de RSU per capita [kg/hab./dia] Norte 17.013.559 15.169 0,891 Nordeste 55.794.707 53.465 0,958 Centro-Oeste 14.993.191 16.636 1,109 Sudeste 84.465.570 102.088 1,208 Sul 28.795.762 21.922 0,761 Brasil 201.062.789 209.280 1,041 Fonte: ABRELPE (2013b)
As quantidades coletadas de RSU no Brasil em 2012 e 2013 estão indicadas na Tabela 2.5. Houve um aumento de 4,4% de 2012 para 2013, revelando uma pequena evolução na cobertura dos serviços de coleta, ou aumento na geração de resíduos per capita, talvez devido ao aumento da renda da população, em geral. No entanto, comparando a quantidade gerada com a quantidade coletada de RSU, é possível observar que quase 20.000 toneladas ao dia deixaram de ser coletadas no Brasil em 2013. Os dados de coleta por região em 2013 estão na Tabela 2.6.
Tabela 2.5 Coleta de RSU em 2012 e 2013
Ano Coleta de RSU
[t/dia]
Coleta de RSU per capita [kg/hab./dia]
2012 181.288 0,935 2013 189.219 0,941
Fonte: ABRELPE (2013b)
Tabela 2.6 Coleta de RSU por região em 2013
Regiões RSU Total
[t/dia]
Coleta de RSU per capita [kg/hab./dia] Norte 12.178 0,716 Nordeste 41.820 0,750 Centro-Oeste 15.480 1,302 Sudeste 99.119 1,173 Sul 20.622 0,716 BRASIL 189.219 0,941 Fonte: ABRELPE (2013b)
Conforme indicado na Figura 2.1, as regiões que possuíam os maiores índices de abrangência da coleta de RSU no Brasil, foram a região Sudeste e a região Sul.
Figura 2.1 Índices de abrangência da coleta de RSU no Brasil em 2013 Fonte: ABRELPE (2013b) Brasil 90,41% Norte 80,23% Nordeste 78,22% Centro-Oeste 93,05% Sudeste 97,09% Sul 94,07%
As três principais formas para a destinação final dos RSU são os aterros sanitários, os aterros controlados e os lixões. O aterro sanitário é uma técnica de disposição no solo que não causa danos à saúde pública e à sua segurança, minimizando os impactos ambientais. O aterro controlado é uma forma inadequada de disposição final de resíduos e rejeitos, no qual o único cuidado realizado é o recobrimento da massa de resíduos e rejeitos com terra. O lixão é também uma forma inadequada de disposição final de resíduos, que consiste na descarga do material no solo sem qualquer técnica, ou medida de controle (MMA, 2012).
A destinação final dos RSU no Brasil é ainda, em muitos casos, inadequada; em 2013, 41,7% dos resíduos foram depositados em lixões ou aterros controlados (Figura 2.2). Os aterros controlados não têm muita diferença com os lixões desde o ponto de vista ambiental e os danos que eles causam ao ambiente (ABRELPE, 2013b).
Figura 2.2 Distribuição da destinação final dos RSU coletados em 2013 Fonte: ABRELPE (2013b)
A Figura 2.3 mostra a quantidade de municípios por cada tipo de destinação final em cada região do Brasil em 2013. Observa-se, nesta figura, que a região Nordeste ainda tem muitos municípios que encaminham seus resíduos para lixões. As regiões Sudeste e Sul são as que mais têm aterros sanitários.
Figura 2.3 Quantidade de municípios por tipo de destinação adotada para os RSU em 2013 Fonte: ABRELPE (2013b)
A coleta seletiva e a reciclagem são fundamentais em uma destinação adequada dos RSU. Em 2013 quase 62% dos municípios registraram iniciativas de coleta seletiva, conforme ilustrado na Figura 2.4. Os tipos de resíduos mais reciclados são o alumínio, aço e papel/papelão, com taxas de reciclagem acima de 35%, seguidos pelos resíduos de plástico e vidro, que alcançam valores próximos a 20% (MMA, 2012). Apesar destas iniciativas de coleta seletiva, somente 3% do lixo total produzido é reciclado no país, segundo dados do Compromisso Empresarial para a Reciclagem (Cempre).
Figura 2.4 Municípios com iniciativas de coleta seletiva em 2013 Fonte: ABRELPE (2013b)
2.1.2 Aproveitamento energético dos RSU
Os RSU podem ser processados em Unidades de Recuperação de Energia (URE), onde o vapor produzido pela incineração dos resíduos pode movimentar uma central termelétrica a vapor, cujo produto final é eletricidade. Estes resíduos também podem ser convertidos em biogás, em aterros sanitários, ou em biodigestores; o biogás produzido pode ser utilizado posteriormente para geração de eletricidade, aproveitamento térmico, ou purificação para se tornar biometano e, eventualmente, ser injetado em redes de gás natural (ABRELPE, 2013a). Alguns subprodutos do processo de biodigestão, como os biofertilizantes, se não contiverem contaminantes, podem ser utilizados em cultivos agrícolas.
A energia produzida a partir de URE ou pela biodigestão do RSU tem várias possibilidades de comercialização, conforme indicado na Figura 2.5. A eletricidade gerada pode ser toda consumida pelo próprio produtor, configurando uma autoprodução. Ela pode ser vendida diretamente para a empresa concessionária distribuidora local, por um preço correspondente ao valor de referência, VR, estabelecido pelo regulador, ou ser intercambiada com a empresa distribuidora, através de net metering. A eletricidade gerada, sobretudo em instalações de maior porte, pode, também, ser vendida no mercado de contratação livre, ou no mercado de contratação regulada, em leilões cujo edital admita este tipo de geração. O biometano pode ser utilizado como gás natural veicular (GNV) em frotas próprias, pode ser vendido como GNV, ou para outros usos, e, também, pode ser injetado em redes de gás natural e vendido em mistura com este combustível fóssil (EPE, 2014a).
O RSU possui uma vantagem econômica em comparação com outras fontes de biomassa, devido a ser coletado regularmente e seu custeio é considerado uma despesa pública. Mamede (2013) destaca os enormes ganhos que se pode auferir, em termos de conservação de energia, com o reaproveitamento de parte dos RSU na indústria.
Figura 2.5 Opções de comercialização dos energéticos produzidos a partir de RSU Fonte: EPE (2014a)
2.2 Esgoto
O tratamento do esgoto coletado é condição essencial para a preservação da qualidade da água dos corpos de água receptores, garantindo a proteção da saúde da população e a integridade das atividades que envolvem os vários usos dessas águas, tais como abastecimento humano, dessedentação de animais, irrigação, aquicultura e recreação. Além disso, a ausência de tratamento adequado dos esgotos favorece a emissão de gases de efeito estufa para a atmosfera, especialmente de metano (IBGE, 2015).
2.2.1 Panorama atual da coleta e tratamento de esgotos no Brasil
A coleta de esgoto no Brasil atinge somente 48,6% da população brasileira; mais de 100 milhões de brasileiros não tem acesso a este serviço. Nas 100 maiores cidades do país, mais de 3,5 milhões de brasileiros despejam esgoto irregularmente, mesmo tendo redes coletoras disponíveis (BRASIL, 2015).
O Plano Nacional de Saneamento Básico (Plansab) prevê metas e recursos financeiros da ordem de R$ 304 bilhões, ou seja, aproximadamente R$ 15,2 bilhões por ano até 2033, para que o país atinja a universalização dos serviços de água e esgoto. Nos últimos 10 anos os investimentos em serviços de abastecimento de água e de esgotamento sanitário no país atingiram uma média de R$ 7,6 bilhões por ano (ABCON; SINDCON).
A produção de esgotos no Brasil atinge 14,5 milhões de m3/dia, equivalente a 5,2 bilhões de m3/ano. O teor médio de sólidos no esgotamento sanitário é 0,1%, dos quais 70% são de matéria orgânica. Considerando a produção de esgotos indicada acima, o resultado final é de 2,9 milhões toneladas de matéria orgânica ao ano (BIOMASSA-BR, 2015). Uma das formas de aproveitamento dessa matéria orgânica é a utilização da digestão anaeróbia para produzir biogás, que pode ser empregado na geração de energia elétrica, ou como combustível para uso veicular.
A Tabela 2.7 mostra que a região Sudeste foi a que teve um maior volume de esgoto tratado por dia em 2008, seguida pelas regiões Sul e Nordeste.
Tabela 2.7 Volume de esgoto tratado por dia no Brasil em 2008, por regiões
Região Volume de esgoto tratado por dia [m3] Norte 78.750 Nordeste 1.337.944 Centro-Oeste 682.352 Sudeste 5.017.621 Sul 1.343.923 Brasil 8.460.590 Fonte: IBGE (2008)
Conforme indicado na Tabela 2.8, em 2013 só 39% do esgoto gerado no Brasil foi tratado. A região com maior porcentagem de tratamento foi a região Sul, que tratou 45,9% da sua geração de esgoto. Segundo a mesma tabela, naquele ano 69,4% do esgoto coletado foi tratado no país. A região Sul novamente foi a que apresentou o maior nível de tratamento do esgoto coletado: 91,6% (SNSA; MCIDADES, 2014).
Tabela 2.8 Porcentagens de tratamento de esgoto no Brasil em 2013, por regiões
Região Porcentagem de tratamento de esgotos (%)
Em relação ao esgoto gerado Em relação ao esgoto coletado
Norte 14,7 85,3 Nordeste 28,8 78,1 Centro-Oeste 43,9 64,3 Sudeste 35,1 78,9 Sul 45,9 91,6 Brasil 39,0 69,4
Fonte: SNSA; MCIDADES (2014)
2.2.2 Aproveitamento energético de esgotos
O Brasil utiliza sistemas anaeróbios nas companhias de saneamento para o tratamento de esgotos. O tipo de reator mais empregado nesse tratamento é o de fluxo ascendente e manto de lodo, denominado UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Este tipo de reator não requer um investimento elevado para a sua construção e seu custo de operação é baixo. O biogás produzido pode ser utilizado como insumo energético dentro da própria estação de tratamento de esgoto (ETE), para gerar eletricidade e reduzir os gastos com o seu consumo (SILVA, T. et al., 2015).
Lodo e escuma são resíduos do tratamento de efluentes em sistemas anaeróbios; sua disposição final é nos aterros sanitários.
Koga et al. (2015) afirmam que uma ETE de médio porte, composta por reatores anaeróbios e flotação por ar dissolvido, consegue gerar até 80% da energia elétrica consumida pela ETE, suprir toda a demanda de energia térmica necessária para a secagem do lodo e, ainda, gerar um excedente de energia térmica.
2.3 Resíduos industriais
Os efluentes industriais são tratados, em geral, através de lagoas, ou pelos processos de lodos ativados e filtros biológicos. Atualmente estão sendo bastante utilizados os reatores anaeróbios, incluindo a autoprodução de energia elétrica com o biogás produzido nos reatores. As principais fontes de efluentes industriais com elevado potencial de produção de biogás são
as indústrias de papel e celulose, açúcar e álcool, abatedouros, lacticínios, cervejas, óleos vegetais e outras indústrias de alimentos e bebidas.
No Brasil, existem 411 usinas de açúcar e álcool que têm produzido em média, nos últimos cinco anos, 25 bilhões de metros cúbicos de álcool por safra, gerando, além do etanol, grandes quantidades de rejeitos no processo, principalmente o vinhoto. De acordo com Santos et al. (2015), os reatores mais utilizados para fazer a digestão anaeróbia neste segmento industrial são os reatores UASB. Os principais compostos obtidos são o dióxido de carbono, o gás metano e a água. Quando este gás é queimado, ele libera de 20,9 a 25,1 MJ/m3. Há contaminantes presentes em sua composição, tais como o ácido sulfídrico (H2S) e a amônia,
entre outros.
2.4 Resíduos agropecuários e florestais
Estima-se que, em 2010, mais de 35% das emissões de gases de efeito estufa no Brasil foram ocasionados pelo setor agropecuário (RIBEIRO; COELHO, 2015). Hoje em dia, mais pesquisadores estão analisando o potencial da digestão anaeróbia de dejetos animais no Brasil, especialmente para geração de energia elétrica.
Os resíduos agropecuários, como o esterco dos animais, têm a possibilidade de gerar produtos de elevado valor agregado; os produtos mais conhecidos são o biogás e os biofertilizantes. As principais vantagens do tratamento de resíduos animais são: a mitigação da emissão de gases de efeito estufa; se evita a contaminação dos corpos d’água; a mitigação dos maus odores; se evita a presença de microrganismos patogênicos; e se minimiza a proliferação de insetos. Um dos principais aproveitamentos do esterco animal é a geração de energia elétrica utilizando o biogás produzido por meio da digestão anaeróbia (SILVA; SILVA; FILHO, 2015).
As bactérias metanogênicas, produtoras de metano, atuam de forma diferente dependo do tipo de biomassa, gerando quantidades variadas de biogás. Os fatores que mais afetam essa produção são temperatura, presença ou não de oxigênio, nível de umidade, quantidade de bactérias versus volume de biomassa, entre outros. Na Tabela 2.9 são apresentados dados de produção de biogás oriundo de diversos tipos de dejetos animais e o percentual de gás metano presente na quantidade produzida de biogás (MOURA, 2012). O teor de metano contido no
biogás produzido também varia dependendo da alimentação das espécies. Animais confinados tendem a produzir quantidades maiores de CH4 (TORRES; SILVA, 2015).
Tabela 2.9 Produção de biogás por tipo de dejeto animal Biomassa utilizada (dejetos) Produção de biogás (a partir de
material seco em m3/ton)
Percentual de gás metano produzido Bovinos 270 55% Suínos 560 50% Equinos 260 Variável Ovinos 250 50% Aves 285 Variável Fonte: MOURA (2012)
A biomassa florestal é uma fonte renovável de energia, sempre que seja proveniente de reflorestamentos, ou resíduos da indústria madeireira. Existe um projeto denominado “Florestas Energéticas” que está sendo desenvolvido pelo CIBiogas (2015), o qual analisa a viabilidade de produção de florestas energéticas de eucalipto de forma integrada à produção de biogás a partir de dejetos de suínos. O biofertilizante produzido pelo biodigestor fertiliza o solo para plantio da floresta e a lenha produzida é utilizada complementarmente ao biogás nas propriedades rurais e agroindústrias (MARIANI et al., 2015).
2.5 Potenciais técnicos para aproveitamento energético de resíduos da biomassa no Brasil
Os potencias técnicos para aproveitamento energético de resíduos da biomassa existentes no país são grandes. A Tabela 2.10 apresenta alguns destes potenciais para a produção de biogás e bioeletricidade proveniente dos resíduos que poderiam ter uma maior participação no Brasil. A geração de energia elétrica no Brasil em centrais de serviço público e autoprodutores atingiu 590,5 TWh em 2014 (EPE, 2015). Isso significa que, se todos os resíduos mostrados na Tabela 2.10 fossem aproveitados para gerar eletricidade através do biogás, a contribuição na oferta interna de energia elétrica seria de aproximadamente 70%. É importante, no entanto, ter em mente que hoje o mercado de biogás tem muitas barreiras e dificuldades, que são abordadas no capítulo 6 deste trabalho.
Tabela 2.10 Potenciais para a produção de biogás e bioeletricidade a partir da biodigestão de diversos tipos de resíduos no Brasil
Setor Tipo de resíduo
Potencial de geração de biogás (m3/ano) Potencial energético (GWh/ano) Resíduos da pecuária Aves 2.825.206.740,60 4.040,05 Suínos 2.628.897.610,30 3.759,32 Vaca ordenhadas 3.953.560.106,63 5.653,59 Resíduos agroindustriais Açúcar e álcool (vinhoto) 3.170.179.374,00 4.533,40 Cervejas 267.271.219.337,79 382.197,84 Papel e celulose (licor negro) 3.578.833.530 5.117,73 Resíduos urbanos Resíduos sólidos
urbanos 5.910.989.797,80 8.452,72 Esgoto 357.126.518 510,69 TOTAL 289.696.013.015,12 414.265,34
3 PRINCIPAIS ROTAS TECNOLÓGICAS PARA O
APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE RESÍDUOS
Neste capítulo são apresentadas as rotas tecnológicas mais utilizadas para o aproveitamento energético de resíduos. As tecnologias de maior interesse para esta dissertação são as que envolvem a geração de biogás como vetor energético.
São descritas, sucintamente, as principias tecnologias empregadas para transformar o biogás em eletricidade, ou em biometano.
O aproveitamento dos resíduos sólidos urbanos (RSU) é destacado no capítulo, dada sua especificidade no que se refere à necessidade de separação dos vários tipos de resíduos que os constituem e à produção de biogás em aterros sanitários.
A Lei Federal nº 12.305/2010, que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), tem um papel importante neste contexto, pois estabelece diretrizes para a elaboração de planos de gestão de resíduos que contemplem metas de redução, reutilização e reciclagem, entre outras, com vistas a reduzir a quantidade de resíduos e rejeitos encaminhados para uma disposição final ambientalmente adequada.
O aproveitamento energético de resíduos deve ser considerado como uma opção quando os resíduos já estão gerados e são um problema ambiental. É importante destacar, no entanto, que, no caso dos RSU, a PNRS estabelece uma hierarquia na gestão dos resíduos, apresentada na Figura 3.1. Pode-se observar, nesta figura, que a produção de energia através dos RSU não é prioritária. Por outro lado, é importante destacar o elevado potencial de conservação de energia associado à reutilização e reciclagem dos resíduos.
3.1 Separação dos vários tipos de resíduos
A coleta seletiva foi definida na PNRS como a coleta de resíduos sólidos previamente separados de acordo com a sua constituição e composição, devendo ser implementada por municípios como forma de encaminhar as ações destinadas ao atendimento do principio da hierarquia na gestão de resíduos (ABRELPE, 2013b).
Figura 3.1 Hierarquia na gestão dos RSU, segundo a PNRS Fonte: Adaptado de EEA (2013)
As matérias primas utilizadas para gerar biogás geralmente são culturas ou resíduos da biomassa que requerem alguma separação, ou tratamento prévio antes de passarem pelo processo de conversão bioquímica. Além disso, no caso dos RSU, nem todos os resíduos coletados são aproveitáveis para a geração de biogás.
A Lei 12.305 de 2010, em seu Art. 9°, diz que somente deverão ser destinados à disposição final (aterros sanitários), os rejeitos, ou seja, somente os resíduos que não podem ter um aproveitamento de qualquer forma. Para os resíduos orgânicos, os tratamentos mais conhecidos e accessíveis são a compostagem, a biodigestão e a incineração em unidades de recuperação de energia (UREs). Outras tecnologias, como a pirólise e a gaseificação, são bem menos utilizadas, devido à sua baixa atratividade econômica para processar este tipo de resíduo (PRS, 2013).
3.2 Biodigestores
A biodigestão é um processo natural de decomposição da matéria orgânica que ocorre na ausência de oxigênio, gerando o biogás e um resíduo líquido rico em minerais que pode ser
Prevenção e redução
Preparação para reutilização
Reciclagem
Outros tipos de valorização
utilizado como biofertilizante. O biogás é composto principalmente por gás carbônico e metano, ambos amplamente utilizados na indústria. A combustão do metano libera energia térmica que pode ser convertida em outras formas de energia. Os fatores que mais influem na produção de biogás são a temperatura, a acidez (pH), a homogeneidade do substrato e a concentração de oxigênio (PORTAL DO BIOGÁS, 2013).
As tecnologias utilizadas em biodigestores são estabelecidas para cada tipo de substrato que será empregado para alimentar o fermentador. É necessário conhecer o grau de umidade do substrato e sua viscosidade e, com isso, escolher entre técnicas de digestão seca ou úmida. A diferença básica entre estas formas de digestão se dá devido à digestão úmida ser bombeável e a seca ser empalhável. Apesar de não haver uma definição oficial em função do porcentual de umidade, na prática a linha divisória entre a digestão seca e a úmida gira em torno de 30% de matéria seca no substrato. A análise do substrato também ajuda na definição de como deve funcionar a alimentação do fermentador, que pode ser de forma contínua, semi-contínua ou dessemi-contínua. Cada uma das possibilidades tem vantagens e desvantagens relacionadas, por exemplo, ao tempo de retenção dentro dos fermentadores, o que pode influir na quantidade de biogás gerado (PORTAL DO BIOGÁS, 2015).
As composições químicas do substrato, assim como a velocidade de decomposição da matéria orgânica servem de base para a distribuição das fases do processo de digestão. As quatro fases (hidrolise, acidogênese, acetogênese e metagênese) podem acontecer de modo paralelo em um único fermentador, ou serem distribuídas em dois ou mais fermentadores. Outro fator importante para a escolha do tipo de tecnologia do biodigestor é a temperatura; segundo este parâmetro, os processos são classificados como psicrofílicos, mesofílicos e termofílicos. Depois de definir a temperatura do processo é aconselhável mantê-la, pois os microrganismos responsáveis pela fermentação são muito sensíveis a mudanças de temperatura. Na Figura 3.2 é apresentado um resumo das tecnologias utilizadas em biodigestores de acordo com as variáveis do processo (PORTAL DO BIOGÁS, 2015).
Graças às tecnologias atualmente disponíveis, quase todo tipo de resíduo pode ser tratado. Em geral, os dois tipos de biodigestores mais conhecidos no mercado são os biodigestores indianos e os biodigestores alemães. O biodigestor indiano não possui automação nem controle de processo; nesse caso, as bactérias responsáveis pela decomposição e geração de metano sofrem as influências externas de temperatura, além de outros processos internos e produzem metano de uma forma muito ineficiente. Por outro lado, o biodigestor alemão tem automação e controle de processo, cuja finalidade é aumentar a
eficiência do processo, possibilitando a geração de mais metano com uma quantidade menor de matéria orgânica (PRS, 2013).
Figura 3.2 Tecnologias utilizadas em biodigestores Fonte: PORTAL DO BIOGÁS (2015)
3.3 Aterros sanitários com aproveitamento energético
O aterro sanitário é uma técnica de aterramento dos RSU. Este processo consiste basicamente na compactação dos resíduos no solo na forma de camadas, que periodicamente são cobertas com terra ou outro material inerte, de modo a produzir uma degradação natural e lenta por via biológica até a mineralização da matéria biodegradável. O processo exige cuidados especiais e técnicas específicas a serem seguidas, desde a seleção e preparo da área até sua operação e monitoramento. Deve funcionar de modo a fornecer proteção ao meio ambiente, evitando a contaminação das águas subterrâneas pelo chorume, além do acúmulo do biogás gerado pela decomposição da matéria orgânica em seu interior. O aterro apresenta como principais características técnicas (FEAM, 2012):
Impermeabilização da base do aterro, que pode ser executada com argila ou geomembranas sintéticas; Tecnologias Umidade do substrato Digestão úmida Digestão seca Alimentação do fermentador Descontínua Semi contínua Contínua Fases do processo Monofásico Bifásico Trifásico Temperatura da fermentação Psicrofílico Mesofílico Termofílico
Sistema de drenos que permite a saída do biogás; Sistema de coleta de chorume;
Sistema de drenagem de águas pluviais, as quais ao infiltrarem no maciço do aterro podem gerar instabilidade e o aumento da produção de chorume.
A Figura 3.3 apresenta uma ilustração de setores em implantação, em operação e concluídos de um aterro sanitário.
Figura 3.3 Características técnicas de um aterro sanitário Fonte: SEMARH-AL (2015)
O biogás coletado pelos drenos é aproveitado como energético, ou, então, é queimado em flares, pois o CO2 resultante desta queima é menos prejudicial na formação do efeito
estufa no planeta, do que o CH4 do biogás.
O biogás proveniente dos aterros pode ser empregado como combustível industrial, ou veicular, para gerar energia elétrica, ou, após um processo de purificação, para se transformar em biometano e, eventualmente, ser misturado com gás natural.
3.4 Geração de eletricidade a partir do biogás
O biogás produzido nos biodigestores pode ser utilizado como fonte de energia primária para fornecer energia mecânica em turbinas e motores de combustão interna, os quais acoplados a geradores elétricos são capazes de produzir energia elétrica. Geralmente o gás utilizado deve cumprir padrões de qualidade ambiental, além de evitar danificar os motores ou turbinas. Pelo fato de o biogás ser um gás pobre, que não possui um alto poder
calorífico comparado com outros gases combustíveis, os equipamentos utilizados (sejam motores de combustão interna ou turbinas) precisam ser projetados para utilizar este tipo de combustível. Como a demanda por estes equipamentos ainda não é elevada, há poucos fabricantes atuando neste mercado.
3.4.1 Turbinas a gás
A turbina a gás é uma máquina térmica que opera segundo o ciclo Brayton. Neste equipamento se aproveita diretamente a energia liberada na combustão. Os gases da combustão, que armazenam esta energia, se expandem produzindo potência mecânica no eixo de uma turbina. O princípio de funcionamento é detalhado a seguir:
Ar é comprimido por um compressor (axial, centrífugo, ou combinado);
Ar comprimido entra na câmara de combustão, onde o combustível é injetado; e Os gases quentes se expandem na turbina, produzindo potência mecânica.
A turbina aciona um gerador elétrico que produz eletricidade.
As turbinas a gás apresentam eficiências em torno de 20 a 25% quando operadas com gases de baixo poder calorífico (SALES; ANDRADE; LORA, 2006).
3.4.2 Microturbinas a gás
As microturbinas a gás evoluíram das aplicações da turbina a gás nas indústrias aeroespacial e automotiva, para as aplicações em sistemas elétricos de potência. Elas apresentam diversas inovações tecnológicas, como o uso de mancais a ar, ligas metálicas e cerâmicas resistentes a altas temperaturas, e componentes eletrônicos de potência.
Tal qual ocorre nas turbinas a gás, nas microturbinas o ar é aspirado e forçado para seu interior a alta velocidade e pressão, sendo, em seguida, misturado ao combustível, que é queimado na câmara de combustão. Os gases quentes resultantes da combustão são expandidos na turbina e o calor remanescente dos gases de exaustão pode ser aproveitado para aquecimento do ar de combustão.
As microturbinas têm vantagens e desvantagens. Entre as principais vantagens encontram-se os baixos níveis de ruídos e vibrações, a flexibilidade na utilização de combustíveis, entre eles o biogás, dimensões reduzidas e a simplicidade de instalação, podendo ser instaladas em locais cobertos, ou ao ar livre. As emissões de NOx são menores
que 9 ppm nas microturbinas de baixa potência (30 a 100 kW), podendo chegar a 100 ppm nas de maior potência. Entre as desvantagens, está a necessidade de importação desses equipamentos, cujas potências hoje disponíveis no mercado situam-se entre 30 kW e 1,0 MW. Eles têm baixo rendimento elétrico (inferior a 30%), porém, quando são utilizados em instalações de cogeração, sua eficiência total pode chegar a mais de 80%. As microturbinas tem alto custo de operação e manutenção, quando comparadas com outras tecnologias existentes, e precisam de um bom sistema de limpeza do biogás, além do dimensionamento da microturbina para a queima de um gás de baixo poder calorífico (ICLEI, 2009).
3.4.3 Motores de combustão interna do ciclo Otto
O motor de combustão interna que opera segundo o ciclo Otto é o equipamento mais utilizado para queima do biogás, devido ao maior rendimento elétrico e ao menor custo quando comparado às outras tecnologias. Para promover a queima de biogás em motores de ciclo Otto são necessárias pequenas modificações nos sistemas de alimentação, ignição e taxa de compressão. Esses motores aspiram a mistura ar-combustível antes de ser comprimida no interior dos cilindros e a combustão da mistura é dada por centelha produzida na vela de ignição. Esses motores em geral operam em ciclos de quatro tempos, pois seu funcionamento ocorre sequencialmente em quatro etapas:
Admissão: abertura da válvula de admissão através da qual é injetada no cilindro a mistura ar-combustível e o pistão é empurrado para baixo com o movimento do virabrequim;
Compressão: fechamento da válvula de admissão e compressão da mistura (ordem de 10:1). Antes de o pistão chegar na parte superior de seu curso no cilindro, a vela gera uma faísca;
Combustão: é neste tempo do ciclo que ocorre a explosão da mistura e expansão dos gases quentes formados na explosão. Essa expansão dos gases promove uma determinada força, permitindo que o pistão desça; e
