UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS PROVENIENTE DO TRATAMENTO DO ESGOTO DOMÉSTICO PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE
Thaisa Carolina Ferreira Silva1,2, Julio Cezar Rietow3, Suani Teixeira Coelho2, Gustavo Rafael Collere Possetti1,4
1 Companhia de Saneamento do Paraná (Sanepar). Endereço: Rua Engenheiros Rebouças 1376, Rebuças, Curitiba – PR, Brasil.
2 Universidade de São Paulo (USP). Programa de Pós-Graduação em Energia. Endereço: Av. Prof.
Luciano Gualberto 1289, Cidade Universitária, São Paulo – SP, Brasil.
3 Universidade Federal do Paraná (UFPR). Departamento de Hidráulica e Saneamento (DHS).
Endereço: Av. Coronel Heráclito dos Santos 210, Jardim das Américas, Curitiba – PR, Brasil.
4 Instituto Superior de Administração e Economia do Mercosul (ISAE). Programa de Mestrado Profissional. Endereço: Rua Visconde de Guarapuava 2943, Centro, Curitiba – PR, Brasil.
(e-mail: thaisacfw@sanepar.com.br)
Resumo
Os recentes aumentos da tarifa de energia elétrica no Brasil têm motivado a geração distribuída de energia renovável. Companhias de saneamento que possuem sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos dispõem de biogás e podem, consequentemente, gerar energia elétrica e reduzir seus custos operacionais. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de produção de eletricidade a partir da recuperação do biogás proveniente de uma planta de grande porte, dotada de 16 reatores anaeróbios alimentados com esgotos domésticos. Para tanto, inicialmente, mensuram-se as taxas de produção de biogás e de metano ao longo de um ano. Após, estimou-se a quantidade de energia elétrica que poderia ser produzida na planta, confrontando-a com aquela quantidade requerida e paga durante o mesmo intervalo de tempo. Dessa forma, determinou-se que o biogás disponível na planta poderia alimentar um grupo motogerador com potência de até 233 kWe, cuja operação supriria toda a energia elétrica demandada pelo processo de tratamento de esgoto, evitando um custo de pelo menos 397 mil reais no ano. Além disso, identificou-se que em alguns meses haveria energia excedente a ser fornecida para a concessionária local, de acordo com as diretrizes da Resolução 482/2012 da ANEEL.
Palavras-chave: Biogás, Geração de energia elétrica, Tratamento de esgoto.
Abstract
The recent increases in electricity rates in Brazil have motivated the distributed generation of renewable energy. Sanitation companies that have sewage treatment anaerobic systems produce biogas and can, therefore, generate electricity and reduce their operating costs. In a sense, the aim of this study was to determine electricity production potential from the recovery of biogas in a large plant with 16 anaerobic reactors fed with domestic sewage.
For that, initially, the rates production of both biogas and methane were measured over year.
After, it was estimated the amount of electricity that could be produced in the plant, comparing it with that amount required and paid during the same period. It was determined that biogas available in the plant could power a motor generator group with power up to 233 kWe, whose operation would supply all the electricity demanded by the wastewater treatment process, avoiding a cost at least 397 thousand reais in the year. Additionally, it was determined that in a few months there would be excess of electricity to be supplied for the local utility, according to the guidelines of ANEEL Resolution 482/2012.
Keywords: Biogas, Power electricity generation, Sewage Treatment.
1. INTRODUÇÃO
A geração distribuída de energia elétrica tem sido motivada no Brasil devido aos recentes aumentos da tarifa de energia. Definida no artigo 14 do Decreto nº 5.163 de 2004, a geração distribuída pode ser entendida como sendo a produção de energia elétrica proveniente de empreendimentos conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição de energia. Além das questões tarifárias, os estímulos à geração distribuída se justificam pelo baixo investimento a ser realizado na expansão dos grandes sistemas de transmissão e distribuição de energia, pelo baixo impacto ambiental na instalação desses sistemas, pela redução dos carregamentos na rede, pela minimização das perdas e pela diversificação da matriz energética nacional (ANEEL, 2015).
A partir da Resolução Normativa da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) nº 482 de 2012, produto de uma ação para minimização das barreiras intrínsecas à geração distribuída no Brasil, estabeleceu-se as condições gerais para o acesso à micro e minigeração distribuída de energia elétrica no território nacional, bem como se definiu o
sistema de compensação de energia elétrica. Para efeitos dessa resolução, a microgeração distribuída pode ser entendida como uma central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 100 kW. Já a minigeração distribuída é a central geradora com potência instalada superior a 100 kW e inferior ou igual a 1 MW. Cabe destacar que para a micro e a minigeração distribuída devem ser utilizadas fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada. Adicionalmente, o sistema de compensação de energia é aquele onde a energia ativa injetada pelas unidades de micro e minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito, à distribuidora local, sendo posteriormente realizada a compensação de acordo com o consumo de energia elétrica dessas unidades (ANEEL, 2012).
Isto posto, as companhias de saneamento que possuem sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos podem ser beneficiadas com essa resolução. Esses sistemas, em especial aqueles baseados em reatores anaeróbios de fluxo ascendente e manto de lodo (UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket), são amplamente utilizados no Brasil devido ao menor investimento financeiro necessário para sua construção e operação tipicamente menos onerosa quando comparado com aqueles exigidos por sistemas com natureza aeróbia. Adicionalmente, os reatores UASB possibilitam a produção de subprodutos, tais como o biogás, composto principalmente por metano (CH4), que podem ser utilizados como insumos energéticos dentro da própria estação de tratamento de esgotos (ETE), reduzindo os gastos com energia elétrica (CHERNICHARO, 2007). Embora o aproveitamento energético do CH4 presente no biogás seja promissor, ele ainda é pouco explorado pelas companhias de saneamento no país (LOBATO, 2011).
Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo avaliar a produção de biogás e de CH4 provenientes de 16 reatores UASB de uma ETE de grande porte, ao longo de um ano, com o intuito de determinar a quantidade de energia elétrica que poderia ser produzida na planta. Essa quantidade de energia foi comparada com aquela requerida pela ETE no mesmo período, possibilitando avaliar o custo evitado caso houvesse o aproveitamento energético do biogás.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A ETE avaliada no presente estudo está localizada no município de Curitiba, Paraná – Brasil e possui capacidade para tratar até 1.120 L/s de esgoto doméstico. A ETE, que
atende aproximadamente 420 mil pessoas, é constituída por 16 reatores UASB com vazão média de 70 L/s cada, dispostos em 4 linhas. Após o tratamento nos reatores UASB, o efluente líquido é conduzido ao processo de floculação e flotação, de onde segue para o lançamento no corpo hídrico receptor. O biogás, formado no processo de biodegradação anaeróbia, é conduzido, por meio de tubulações, até queimadores com acendimento contínuo e automático providos de válvula corta-chamas de segurança.
No âmbito deste estudo foram determinados os seguintes parâmetros inerentes à ETE: vazão e DQO do esgoto na entrada dos reatores UASB, vazão de biogás e teor de CH4 presente no biogás. Esses parâmetros foram avaliados durante o período de um ano (outubro de 2011 até setembro de 2012).
A vazão de biogás foi mensurada com o auxílio de um transmissor por dispersão térmica Thermathel® (TA2, Magnetrol), com resoluções de 5,6 Nm³/h e 0,1 °C, exatidões de
± 1,0 Nm³/h e ± 1,0 °C e repetibilidades de ± 0,5% da leitura. O teor de CH4 presente no biogás foi determinado com um transmissor ótico seletivo, com resolução de 0,1% v/v, exatidão de ± 2,5% v/v e repetibilidade de ± 2,0% v/v, operando na faixa do infravermelho (Guardian Plus, Edinburgh Sensors). Esses equipamentos foram alimentados eletricamente, sendo conectados a um quadro de comandos dedicado. Eles foram configurados para fornecer sinais analógicos padrão 4-20 mA, os quais foram monitorados em intervalos de 30 segundos e armazenados em um aquisitor de dados (FieldLogger, Novus). Esses dados foram, posteriormente, transferidos para um computador portátil (Latitude, Dell) (POSSETTI et al., 2013).
Essas medições foram realizadas no final de uma linha condutora de biogás que totalizava apenas a contribuição de 4 reatores UASB. Como a ETE possui um total de 16 reatores semelhantes e como o esgoto que nela chega é igualmente distribuído entre os reatores, multiplicaram-se por quatro as taxas médias de produção de biogás e de metano mensuradas, possibilitando a determinação das taxas de produção totais inerentes à planta.
Para estimar o potencial de geração de eletricidade a partir da recuperação do biogás produzido na ETE, inicialmente, determinou-se a potência química disponível. Para tanto, multiplicaram-se as taxas de produção de metano por seu respectivo poder calorífico inferior (9,9 kWh/Nm3). Isso porque o poder calorífico do biogás depende da concentração de metano (CH4) nele existente (CCE, 2000). Após, estimou-se a quantidade de eletricidade que poderia ser gerada na ETE por meio da multiplicação entre a potência química
disponível e o rendimento médio (33%) dos equipamentos de conversão de energia, aqui considerados como motores de combustão interna (PECORA, 2006).
Em uma última etapa, realizou-se a análise de custos evitados referentes ao uso de energia elétrica, caso a ETE aproveitasse o biogás para tal fim e deixasse de adquirir a energia ativa da concessionária local. Nesse sentido, levantaram-se o enquadramento tarifário da planta e seu histórico de consumo de eletricidade mensal ao longo do ano de investigação deste estudo.
O contrato para atendimento da demanda energética da ETE faz parte do Grupo A4, com tensão de fornecimento de 2.300 a 25.000 V. A demanda de potência ativa contratada é de 400 kW. A modalidade tarifária adotada é a horo-sazonal verde, com diferenciação de tarifas conforme a hora do dia e dos períodos do ano, bem como possui uma única tarifa de demanda de potência (ANEEL, 2014c).
Durante o período de análise houve alteração nos valores das tarifas. De outubro de 2011 a junho de 2012, as tarifas estavam respaldadas pela Resolução 1158/2011 da ANEEL, que determinava tarifas de ponta, fora de ponta, seca e úmida. Já no período de julho de 2012 a outubro de 2012 as tarifas passaram a ser respaldadas pela Resolução ANEEL 1296/2012 e foram divididas apenas em consumo de ponta e fora de ponta. Essas modificações tarifárias foram consideradas nos cálculos de custo evitado referente ao uso de energia elétrica na ETE.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Durante o período de avaliação, a vazão média do esgoto doméstico que entrou nos reatores UASB da ETE foi de (988,08 ± 85,2) L/s, com mínimo de 768 L/s e máximo de 1.174 L/s. A DQO média desse esgoto foi de (449,7 ± 143,2) mg/L, variando de 138 a 905 mg/L. A vazão de biogás disponibilizada pelo sistema de coleta da ETE ao longo do período de estudo foi, em média, igual a (84,30 ± 26,64) Nm3/h. O teor de metano presente no biogás foi, em média, (63,03 ± 17,89)% v/v, resultando em uma vazão média de metano de (53,13 ± 15,04) Nm3/h.
As vazões médias mensais de biogás são apresentadas na Figura 1. Em maio de 2012 ocorreu a menor vazão média de biogás (47,59 ± 27,3) Nm3/h, mantendo-se abaixo da média de todo o período de análise até julho de 2012. Em março de 2012 ocorreu um aumento significativo da vazão atingindo um valor médio de (113,25 ± 13,51) Nm3/h.
Figura 1. Vazão média mensal de biogás ao longo de um ano (Os autores, 2015).
Durante o período de avaliação, a ETE apresentou um consumo médio de energia elétrica mensal de 114.374 kWhe/mês, sendo 103.414 kWhe/mês em horário fora de ponta e 10.960 kWhe/mês em horário de ponta (Figura 2). A maior demanda medida no período foi de 308 kW. Percebeu-se que no mês junho de 2012 houve um significativo aumento de consumo de energia pela ETE, que é justificado pela operação ininterrupta de um flotador por ar dissolvido.
Figura 2. Consumo médio mensal de energia elétrica da ETE para o período de um ano (Os autores, 2015).
O consumo de energia elétrica proporcionou para a ETE um custo médio mensal de energia elétrica de R$ 34.211, sendo R$ 20.487 em horário fora de ponta e R$ 13.724 em horário de ponta, o que totalizou um custo de R$ 406.838,57 no ano da análise, conforme ilustra a Figura 3. A partir de julho, mesmo com a parada do flotador por ar dissolvido, o custo com energia aumentou principalmente no horário fora de ponta, em virtude do aumento tarifário.
A potência elétrica máxima calculada a partir da recuperação do biogás foi de 233 kWe, o que conforme a Resolução Normativa nº 482 da ANEEL, possibilita o enquadramento da ETE como como minigeradora distribuída. Se a geração de energia elétrica fosse constante (24 horas), e utilizando os valores médios oriundos das medições de cada mês, poder-se-ia gerar 1.500.632 kWhe/ano. Desse modo, considerando que o consumo de energia elétrica da rede durante o período do estudo foi de 1.372.489 kWhe/ano, então pode-se afirmar que haveria excedente de energia de 128.143 kWhe/ano (Figura 4).
Figura 3. Energia elétrica consumida e hipoteticamente gerada com biogás referentes à ETE sob investigação ao longo de ano (Os autores, 2015).
Isto posto, a ETE teria a capacidade de atender toda a sua demanda de energia elétrica nos meses de outubro de 2011 até março de 2012 e no mês de agosto de 2012. Em contra partida, nos meses de abril a julho e setembro de 2012, a geração de energia elétrica seria inferior à energia demandada, o que indica que tanto a geração de energia quanto a demanda de energia da ETE possuem variações ao longo do tempo. A maior variação de
energia consumida na ETE está relacionada à utilização do flotador, como já explicado anteriormente, enquanto que a variação na energia elétrica produzida está relacionada à disponibilidade de biogás, que entre abril e julho foi menor.
Assim, a autoprodução de eletricidade evitaria o consumo de aproximadamente 131.525 kWhe/ano, em horário de ponta, e 1.369.107 kWhe/ano, fora do horário de ponta.
Isso significa que a ETE poderia evitar um custo com energia elétrica de aproximadamente R$ 397.381,05 no período avaliado. Como haveria excedente de energia nos meses de outubro de 2011 a março de 2012 e no mês de agosto de 2012, seria possível compensar toda a energia necessária para a operação da ETE no período avaliado, com sobra para abater energia de outra ETE do sistema, como pode ser visualizado na Figura 4. Esse montante, proporcionaria uma economia de mais de R$ 23.264,92, que somado ao custo evitado por utilizar a energia do biogás chega a R$ 420.645,97 no ano.
0,00 5.000,00 10.000,00 15.000,00 20.000,00 25.000,00 30.000,00 35.000,00 40.000,00 45.000,00 50.000,00
out/11 nov/
11 dez/
11 jan/
12 fev/12
mar/12 abr/12
mai/12 jun/
12 jul/12 ago/
12 set/12
Custos evitados (R$)
Aproveitamento energético do biogás Compensação energética
Figura 4. Custo que poderia ser evitado mediante autoprodução de energia elétrica a partir do biogás disponível na ETE, ao longo de ano (Os autores, 2015).
4. CONCLUSÕES
O aproveitamento energético do biogás gerado na ETE em análise, cujas taxas médias de produção de biogás e de metano foram respectivamente da ordem de 84 e 53 Nm3/h, poderia suprir a energia elétrica consumida na planta ao longo do ano contemplado no estudo, sendo que em alguns meses ocorreriam excedente de eletricidade e em outros poderia ser necessária a compra de energia elétrica da rede. A potência elétrica máxima calculada para ser gerada a partir do biogás disponível na planta foi igual a 233 kWe. Assim, seria possível utilizar as diretrizes reportadas na Resolução Normativa nº 482/2012 da ANEEL e, consequentemente, enquadrar a ETE como minigeradora distribuída de energia elétrica. Isso possibilitaria a compensação de energia elétrica por meio de créditos a serem utilizados na própria planta ou em outra ETE de mesma titularidade, resultando em um custo evitado de até R$ 420.645,97 no ano.
No entanto, sabendo que há variação na vazão de biogás ao longo do ano, recomenda-se estudar detalhadamente a viabilidade técnica e econômica de um projeto de recuperação energética de biogás na ETE. Esse projeto deve, por exemplo, contemplar o gasômetro, componente necessário para regularizar a vazão de biogás durante o dia e gerar energia elétrica nos períodos de maior necessidade energética ou nos períodos em que a energia elétrica é mais cara.
Cabe destacar, por fim, o fato de que na maior parte do tempo da análise, o flotador por ar dissolvido não operou adequadamente. A operação do flotador poderia aumentar o consumo de energia elétrica da ETE, e consequentemente, poderia reduzir ou deixar de gerar excedentes de energia. Contudo, mesmo considerando essa hipótese, os custos evitados pela autoprodução de energia elétrica continuariam significativos.
5. REERÊNCIAS
ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa N°
482, de 17 de abril de 2012 – In: Resoluções, 2012. Disponível em: http://www.aneel.gov.br.
Acesso em: 09/07/2013.
ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Micro e minigeração distribuída: sistema de compensação de energia elétrica, Cadernos Temáticos ANEEL,
disponível em http://www.aneel.gov.br/biblioteca/downloads/livros/caderno-tematico- microeminigeracao.pdf. Acesso em: 12/07/2015.
CCE – CENTRO PARA CONSERVAÇÃO E ENERGIA. Guia Técnico de Biogás.
Amadora – Portugal, 2000. 117 p.
CHERNICHARO, C. A. L. Reatores anaeróbios: Princípios do tratamento biológico de águas residuárias, v. 5. Belo Horizonte - MG: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. UFMG. 2ª ed., 2007. 380 p.
LOBATO, L. C. S. Aproveitamento energético de biogás gerado em reatores UASB tratando esgoto doméstico. 2011. 184 f. Tese (Doutorado em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos). Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte – MG, 2011.
PECORA, Vanessa. Implementação de uma unidade Demonstrativa de Geração de Energia Elétrica a partir do Biogás de Tratamento do Esgoto Residencial da USP: estudo de caso. 2006. 152 p. Dissertação (Mestrado em Ciências), Programa de Pós-Graduação em Energia da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2006.
POSSETTI, G. R. C. et al. Medições em tempo real do biogás produzido em reatores UASB alimentados com esgoto doméstico. In: Anais do 27º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, 2013.
