UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
SANDI DA COSTA GEHM
ESTUDO DA CAPACIDADE DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
A PARTIR DE BIOGÁS PRODUZIDO ATRAVÉS DO LIXO
DOMÉSTICO DO MUNICÍPIO DE IJUÍ-RS
IJUÍ 2016
2
SANDI DA COSTA GEHM
ESTUDO DA CAPACIDADE DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
A PARTIR DE BIOGÁS PRODUZIDO ATRAVÉS DO LIXO
DOMÉSTICO DO MUNICÍPIO DE IJUÍ-RS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Maurício de Campos
Ijuí 2016
3 Aos meus pais, que sempre estiveram ao meu lodo nos momentos de angústia e preocupação, pelos ensinamentos e exemplo de conduta. Dedico este trabalho com amor e carinho.
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, pelas oportunidades concedidas e pela persistência mediante as dificuldades encontradas.
Aos meus pais, Marga Gehm e Vilmar Gehm, a companhia de vocês sempre foi essencial na minha vida. De alguma forma sempre estiveram comigo, dando apoio, amizade, carinho e compreensão.
Agradeço, de forma muito especial, ao meu orientador prof. Mauricio de Campos, pela incansável motivação e apoio desde o iniciar do curso e pelo acompanhamento deste trabalho.
Agradeço aos meus colegas e amigos por todo companheirismo e apoio durante o período acadêmico, amigos que por muitas vezes foram peças fundamentais na persistência e coragem para enfrentar as dificuldades da engenharia.
A todos do fundo do meu coração, MUITO OBRIGADO!
5 “A verdadeira medida de um homem não é como ele se comporá em momentos de conforto e conveniência, mas como ele se mantêm em tempos de controvérsia e desafio”.
6
RESUMO
GEHM, SANDI DA COSTA. Estudo da Capacidade de Geração de Energia Elétrica a partir de biogás produzido através do lixo doméstico do Município de Ijuí-RS. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2016.
A gestão de resíduos sólidos é um grande problema na maioria dos países em desenvolvimento. A decomposição da matéria orgânica promove a liberação do biogás, cujos principais constituintes são o gás metano e carbônico. A geração de energia a partir do biogás do lixo em aterros sanitários é uma maneira de produzir energia elétrica renovável e limpa, reduzindo os impactos globais provocados pela queima dos resíduos sólidos. Portanto, neste estudo é avaliado o potencial de geração de biogás através do lixo produzido na cidade de Ijuí, RS, e verificada a viabilidade da implantação de um projeto de geração de energia elétrica com o biogás proveniente do mesmo, por meio de um estudo de caso. As tecnologias de conversão energética também são objeto de estudo, além da seleção da melhor alternativa para a conversão energética do biogás de aterro, o motor ciclo Otto.
7
ABSTRACT
GEHM,SANDI DA COSTA. Estudo da Capacidade de Geração de Energia Elétrica a partir de biogás produzido através do lixo doméstico do Município de Ijuí-RS. 2016. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2016.
The solid waste management is a major problem in most developing countries. The decomposition of organic matter promotes the release of biogas, whose main constituents are methane and carbon dioxide. Power generation from waste biogas in landfills is a way to produce clean and renewable energy, reducing overall impacts caused by the burning of municipal solid waste. Therefore, this study evaluates the potential of generating biogas through the garbage produced in the city of Ijuí, RS, and verified the feasibility of implementing an electricity generation project with from biogas even through a study case. The energy conversion technologies are also studied, in addition to selecting the best alternative to energy conversion landfill biogas, the engine Otto cycle.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Projeção do uso de energia elétrica no Brasil, conforme setores ... 13
Figura 2: Funcionamento de uma usina hidrelétrica ... 19
Figura 3: Geração fotovoltaica de energia elétrica ... 20
Figura 4: Geração de energia elétrica ... 22
Figura 5: Geração de energia a partir das marés ... 24
Figura 6: Biodigestor do tipo Indiano ... 26
Figura 7: Biodigestor modelo Chinês ... 27
Figura 8: Biodigestor modelo Canadense ... 28
Figura 9: Biodigestor tipo Batelada ... 29
Figura 10: Esquema de decomposição anaeróbica ... 30
Figura 11 : Turbina a gás: (a) circuito aberto; (b) circuito fechado ... 35
Figura 12: Ciclo de ar-padrão ideal Bryton ... 36
Figura 13: Ciclo regenerativo da turbina a gás ... 37
Figura 14: Esquema das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto... 38
Figura 15: Funcionamento do motor diesel ... 39
Figura 16: Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Diesel, k=1,4 ... 40
Figura 17 :Mapa de localização de Ijuí no RS e no Conselho Regional de Desenvolvimento Noroeste Colonial ... 50
Figura 18: Estrutura técnica do sistema de captação e queima do biogás ... 53
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Inibidores e sua concentração tóxica em processos de digestão anaeróbica ... 33
Tabela 2: Valores de k e Lo propostos pela USEPA ... 42
Tabela 3: Estimativa do Lixo Depositado ... 42
Tabela 4: Eficiência do Sistema de Controle ( ɲ cont.) ... 43
Tabela 5: Valores de k propostos em correspondência com a precipitação anual ... 44
Tabela 6: Valores de Lo em função da degradação do resíduo ... 45
Tabela 7: Fator de correção do metano (FMC) pelo IPCC... 47
Tabela 8: Valores recomendados para o COD nos principais tipos de resíduos ... 47
Tabela 9: Incertezas associada aos parâmetros sugeridos pelo IPCC ... 49
Tabela 10: Composição dos RSU de Ijuí (base abril de 2011) ... 52
Tabela 11: Projeção da Produção de RSU no município de Ijuí-RS ... 52
Tabela 12: Vazão de metano ... 54
10
LISTA DE SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental COD Carbono Orgânico Degradável
COREDE Conselho Regional de Desenvolvimento
DEMASI Departamento Municipal de Águas e Saneamento de Ijuí EPE Empresa de Pesquisa Energética
FEPAM Fundação Estadual de Proteção Ambiental FMC Fator de Correção de Metano
IPCC Painel Governamental sobre Mudanças Climáticas MME Ministério de Minas e Energia
PCH Pequena Central Hidrelétrica
PLAMSAB Plano Municipal de Saneamento Básico
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia USEPA Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos
11
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 13
2. REFERNCIAL TEÓRICO ... 15
2.1 Histórico da geração de energia ... 15
2.1.2. Pontos críticos ... 16
2.2. Geração de energia renovável ... 17
2.2.1. Energia hidráulica ... 18
2.2.2. Energia Solar ... 19
2.2.3 Energia eólica ... 21
2.2.4 Biomassa ... 22
2.2.5 Energia das marés... 24
3. GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS ... 25
3.1 Biodigestores ... 25
3.1 .1 Biodigestor Contínuo ... 25
3.1.1.1 Biodigestor Indiano ... 26
3.1.1.2 Biodigestor Chinês ... 27
3.1.1.3 Biodigestor Canadense ... 27
3.1.2 Biodigestores sistema batelada ou estático ... 28
3.2 Biogás ... 29
3.2.1 Composição e propriedades do biogás ... 29
3.2.2 Fatores que influenciam na produção de biogás ... 31
3.2.2.1 Influência da Temperatura ... 31
3.2.2.2 Influência da Acidez... 32
3.2.2.3 Influência da Concentração de Nutrientes ... 32
3.2.2.4 Influência das Substâncias Tóxicas ... 33
4. TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS ... 35
12
4.1.1 Ciclo de ar- padrão ideal Brayton ... 36
4.1.2 Ciclo Brayton com regeneração ... 36
4.1.3 Microturbinas ... 37
4.2 Motores de Combustão Interna ... 37
4.2.1 Motores Ciclo Otto ... 38
4.2.2 Motores Ciclo Diesel ... 39
5. METODOLOGIA ... 41
5.1 Modelos Matemáticos para o Cálculo da Geração de Biogás ... 41
5.1.1 Metodologia USEPA ... 41
5.1.2 Metodologia do Banco Mundial ... 44
5.1.3 Metodologia IPCC... 45
6. ESTUDO DE CASO ... 50
6.1 Descrição do Município ... 50
6.2 Sistema de Limpeza Urbana no Município ... 51
6.3 Dados Técnicos ... 51
6.1.1 Composição dos Resíduos ... 51
6.1.2 Potencial de biogás a ser produzido ... 52
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 57
13
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a energia, sob todas as suas formas, é fundamental para a manutenção da própria sociedade. Conforme Rosa (2015), 85% da energia consumida no mundo tem suas origens nos combustíveis fósseis, fontes não renováveis.
Rodrigues (2014b) indica que no Brasil, a geração de energia elétrica é realizada, em sua maioria através de fontes hidráulicas, ou seja, por meio de hidrelétricas. De maneira resumida, a matriz energética brasileira é composta, essencialmente, de 60% produzida a partir de fontes não renováveis e 40% a partir de fontes renováveis, como a hidráulica, eólica, solar, entre outras (BRASIL, 2015).
Dentre estes 40% oriundos de energias renováveis, Brasil (2015) coloca dados referentes ao exercício de 2014: 39,9% originadas com etanol e bagaço; 29,1% de origem hidráulica, 20,5% originados com lenha e carvão vegetal; 2,2% de óleos vegetais; 0,9% de energia eólica; 0,0035 energia solar e pouco mais de 7% originando-se de outras fontes, a exemplo da energia nuclear.
O consumo de energia, em todo o mundo, aumenta gradativamente. Neste sentido, a EPE (2015) realizou um estudo da demanda de energia elétrica, considerando um horizonte de 10 anos, até o ano de 2024. A Figura 1 demonstra a diferença na demanda de necessidade de energia elétrica, contendo um comparativo entre os anos 2000, 2014 e 2024:
Figura 1: Projeção do uso de energia elétrica no Brasil, conforme setores
Fonte: EPE (2015, p.53).
Nesse contexto, há de se ressaltar a relevância da obtenção de todos os tipos possíveis de energia a partir de fontes renováveis, buscando a diminuição de custos e a satisfação das necessidades sociais.
Para alcançar esta importante meta, os tipos de energia que produzimos e as formas como utilizamos terão que mudar (TOLMASQUIM, 2003), já que atualmente os padrões de
14 produção e consumo de energia são baseados nas fontes fósseis, o que gera emissões de poluentes, gases de efeito estufa e põem em risco o suprimento a longo prazo no planeta (GOLDEMBERG e LUCON, 2007).
Abramovay (2014) menciona que há uma necessidade verdadeira de transformação da matriz energética de base fóssil, e, inclusive, da que aposta nas hidrelétricas, e que as fontes renováveis, ditas por ele como “modernas” solar, eólica, biomassa e geotérmica, já contam com aumento da eficiência e redução nos preços.
A estrutura da matriz energética brasileira define o Brasil como líder mundial na geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, pois é rico em alternativas de produção das mais variadas fontes, diversificando a sua matriz energética mantendo o alto índice de energia renovável (BRASIL, 2007, p. 168 – 169).
No Brasil, o PROINFA (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia), criado com base na lei nº 10.438/02, tem como objetivo o aumento da participação da energia elétrica gerada por Produtores Independentes Autônomos a partir de fontes eólica, pequenas centrais hidrelétricas (PCH´s) e biomassa no sistema interligado nacional. Isso abre uma oportunidade para que sistemas de geração de energia elétrica, utilizando biogás como fonte primária de energia, venham a ser implantados promovendo com isso uma participação desta fonte renovável alternativa de energia na matriz energética nacional. O que não justifica é o fato de o Brasil, um país de clima tropical, com abundância de resíduos, continuar emitindo o gás estufa na atmosfera, sem nenhum aproveitamento.
Desta forma este trabalho objetiva contribuir para os avanços em geração de energia, investigando o potencial de produção de biogás proveniente dos resíduos sólidos urbanos da cidade de Ijuí, abordando os aspectos técnicos, visando analisar a viabilidade de geração de energia elétrica em aterro sanitário, a partir de um modelo que possa ser replicado facilmente.
15
2.
REFERNCIAL TEÓRICO
2.1 Histórico da geração de energia
Em se tratando de energia, primeiramente concebe-se a energia elétrica como principal manifestação energética e presente em praticamente todos os momentos da vida em sociedade.
Conceber a energia elétrica e suas origens históricas significa compreender o significado de seu efeito, ou seja, a luz. Salvetti (2008) coloca a luz solar como uma das primeiras fontes de luz reconhecidas pelos seres humanos. A luz solar é responsável por, basicamente, todos os processos relacionados à vida no Planeta Terra.
Na ausência da luz solar, o ser humano passou a buscar outras técnicas capazes de extinguir a escuridão total. Iniciava-se o uso do fogo: primeiramente, através do fogo produzido por raios em árvores; após através da produção voluntária (SALVETTI, 2008). Esta foi a primeira fonte controlada de luz utilizada pelos seres humanos.
Para a geração de luz através da eletricidade, muitos experimentos foram realizados. De acordo com Salvetti (2008), o marco na produção da luz elétrica se deu com Thomas Edison, quando criou uma lâmpada incandescente capaz de durar diversos dias.
De acordo com Braga (2008), a eletricidade impulsionou a busca por novos campos de pesquisa, relacionados à conversão da mesma em outras formas, como o calor, luz, movimento e efeitos químicos, entre outras possibilidades. Da mesma forma, Salvetti (2008) coloca que o domínio da energia elétrica acelerou de maneira única o desenvolvimento da humanidade. Em pouco mais de cem anos passou-se do lampião ao computador, enquanto levou-se mais de dois mil anos entre a fundição do bronze para a moldagem de itens de ferro, por exemplo. Atualmente, praticamente a totalidade das pessoas está vinculada ao uso da eletricidade.
A evolução, portanto, do uso da energia (principalmente a elétrica) das mais diversas formas e os confortos que a mesma proporcionou, gerou cada vez mais dependência dos indivíduos. Atualmente, torna-se impossível imaginar o cotidiano sem o uso de energia elétrica, por exemplo, tanto no contexto residencial quanto industrial, comercial, social etc. Braga (2008, p.66) ainda coloca a relevância da energia gerada a partir do calor em movimento: “o conceito de energia passou a ser fundamental na mecânica e na ciência em geral, unindo diferentes manifestações da natureza”.
Paralelo a este breve histórico da eletricidade como protagonista da sociedade atual, é importante ressaltar que todos os tipos de energia (calor, vapor, elétrica) foram sendo produzidos, ao longo da história, a partir de fontes não renováveis (ANEEL, 2008; ROSA, 2015). Assim, quanto menor a quantidade de combustível fóssil encontrado, por exemplo,
16 maior o custo para sua extração e, consequentemente, maior o custo para a produção de energia. Além disso, a extração deste tipo de fonte de energia acarreta danos ambientais severos.
A energia nuclear também passou a ser utilizada em todo o mundo e possui capacidade significativa de geração de energia. No entanto, neste caso, os impactos ambientais podem ser ainda maiores, devido aos resíduos radioativos serem altamente tóxicos (ANEEL, 2008; BRAGA, 2008). Neste sentido, a seguir trata-se brevemente sobre as questões críticas envolvendo a necessidade e a efetiva produção de energia, através das mais diversas fontes.
2.1.2. Pontos críticos
A crença de que os recursos utilizados para a produção de energia não teriam fim aliada ao aumento da escala de produção e, consequentemente, aumento da necessidade de uso de energia elétrica, provocou um grande estímulo à exploração desenfreada do meio ambiente e elevação da produção de resíduos (GUARNIERI, 2011).
A partir dos anos 90, a deterioração ambiental passou a fazer parte das discussões em torno do desenvolvimento social e, desta forma, a produção de energia elétrica passou a ser desenvolvida de maneira sustentável, sendo necessário o “consumo consciente, preservação do meio ambiente e melhoria da qualidade de vida” (ANEEL, 2008, p.13).
Conforme Amarante et al. (2001), o desenvolvimento econômico do Brasil indica a necessidade de expansão da oferta de energia de, aproximadamente, 5% a mais por ano. Isto ocorre, segundo Rodrigues (2014a) devido ao fato que a eletricidade tornou-se essencial para o desenvolvimento humano, estando presente nas mais diversas utilizações. A eletricidade é, portanto, uma das formas dominantes da energia produzida atualmente, utilizada por praticamente todos os indivíduos, em todo o mundo, das mais diversas formas.
Entretanto, questões envolvendo a produção de energia elétrica são, acima de tudo, importantes no campo da sustentabilidade, uma vez que trata-se de um recurso imprescindível para a manutenção e evolução da sociedade, em sentidos técnicos e de produção e, principalmente, para a garantia do futuro das gerações vindouras (GUARNIERI, 2011).
Em se tratando de questões ambientais e de sustentabilidade, Reis (2011) coloca alguns pontos específicos relacionados à gestão da energia, em todo o mundo:
Poluição do ar: é um problema constante na atualidade, causado pelo alto índice de uso de energia em transportes e produções industriais;
17 Chuva ácida: se deve, principalmente, ao uso de carvão mineral e outros tipos de
combustíveis fósseis;
Efeito estufa e mudanças de temperatura: oriundos das modificações na intensidade da radiação térmica emitida pela Terra em razão da elevada concentração dos gases-estufa na atmosfera;
Desmatamento e desertificação: destruição de florestas em virtude de poluição e degradação de terras em áreas áridas, em prol do desenvolvimento;
Alagamento: relacionado principalmente com o desenvolvimento de barragens e reservatórios para a produção de energia elétrica através de hidrelétricas.
De acordo com Rosa (2015), a taxa de utilização de energia per capita cresceu consideravelmente no último século e, aliado ao crescimento populacional, é preciso conceber quais recursos energéticos ainda estão disponíveis e de que maneira estão sendo utilizados. Para tanto, classificam-se as fontes de energia em renováveis e não renováveis.
São fontes de energia renováveis aquelas que podem se esgotar em virtude do seu uso, em velocidade maior do que a necessária para sua reposição, tais como a energia a partir da água, a energia solar, geotérmica e gravitacional (ANEEL, 2008; REIS, 2011; ROSA, 2015).
Já fontes de energia não renováveis são aquelas cuja utilização, para fins de produção de energia, se dá de maneira mais lenta que a reposição das mesmas junto à natureza. Desta forma, o seu uso na produção de energia é realizado de maneira sustentável, a exemplo da energia das águas, rios, marés, sol, ventos, além da biomassa e cana-de-açúcar, entre outros exemplos (REIS, 2011).
Desta forma, percebe-se a necessidade de compreensão das fontes de energia renováveis enquanto possibilidade para a geração de todos os tipos de energia, principalmente a energia elétrica, da atualidade para o futuro.
2.2. Geração de energia renovável
São muitos os tipos de fontes de energia renováveis que podem ser utilizados, na atualidade. Neste sentido, a demanda pela crescente utilização de energia elétrica, por exemplo, dentre outras formas, gera a necessidade da realização de pesquisas para o desenvolvimento de fontes alternativas de energia. Aliado a este fato, pode-se colocar as questões envolvendo a escassez das fontes de energia não renováveis e, ainda a necessidade de sustentabilidade e
18 utilização, portanto, de fontes de energia renováveis e menos poluentes, capazes de produzir menos impacto ambiental possível (PEREIRA et al., 2006).
O governo brasileiro, através do Ministério de Minas e Energia instituiu, em 2004, através de Decreto, o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA). Este Programa tem por objetivo aumentar a participação da energia elétrica produzida por empreendimentos concebidos com base em fontes eólicas, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas (PCH) no Sistema Elétrico Interligado Nacional (SIN).
Conforme informações disponibilizadas pelo MME (2016), cerca de 40% da oferta interna de energia, no Brasil, é originada de fontes renováveis, enquanto a média mundial é de apenas 14%. Neste sentido, o país encontra-se em um patamar mais avançado, a nível mundial, de utilização de fontes renováveis para a geração de energia, principalmente energia elétrica.
Desta forma, busca-se compreender alguns destes tipos de energia renováveis, tais como a energia hidráulica, energia solar, energia eólica, biomassa, energia das marés.
2.2.1. Energia hidráulica
A energia hidráulica é aquela produzida a partir da utilização da força das águas, transformada, principalmente, em energia elétrica. Assim, este tipo de energia é também conhecida como energia hidrelétrica. O funcionamento básico de uma usina hidrelétrica é demonstrado na Figura 2.
Trata-se de um movimento mecânico gerado a partir da energia potencial da água, convertido em eletricidade através de uma turbina acoplada por um gerador. A energia gerada pelas usinas hidrelétricas pode chegar a pontos distantes da própria usina, através da utilização de linhas de transmissão (RODRIGUES, 2014b).
A relevância da energia hidráulica no contexto brasileiro é significativa, visto que se trata da principal fonte para geração de eletricidade (PEREIRA et al, 2006). Assim, conforme os autores, muitas bacias hidrográficas no Brasil estão com sua capacidade de geração praticamente esgotadas, sendo relevante a adoção de novas fontes de energia para a continuidade da produção de energia elétrica.
19 Figura 2: Funcionamento de uma usina hidrelétrica
Fonte: Rodrigues (2014b, p.8)
O que se pode perceber é que, apesar de ser uma energia renovável, a partir do momento em que a água utilizada para a transformação em energia elétrica não se esgota nesse momento, este tipo de energia também possui alguns pontos críticos importantes, relacionados às áreas alagadas, por exemplo.
Neste sentido, conforme Paim e Ortiz (2006), no Brasil, as grandes hidrelétricas já deslocaram de suas terras aproximadamente um milhão de pessoas e inundaram mais de 34 mil km2 de terras férteis, florestas e regiões ribeirinhas, destruindo paisagens únicas, culturas e biodiversidade.
Este é um fator a ser considerado, uma vez que o impacto ambiental de grandes usinas hidrelétricas é bastante significativo. Por ser a principal fonte de energia utilizada para a produção de energia elétrica, há que se pensar cada vez mais em outras fontes alternativas e também renováveis, a fim de suprir as necessidades da sociedade atual e futura.
2.2.2. Energia Solar
A energia solar, de acordo com a ANEEL (2008), chega até a Terra nas formas térmica e luminosa. Ao passar pela atmosfera, torna-se possível captá-la e transformá-la em energia térmica ou elétrica.
20 Para a produção de energia térmica, deve-se utilizar uma superfície escura para a captação, através de equipamentos denominados coletores e concentradores. Já para a produção de energia elétrica, existem duas possibilidades: utilização de sistema heliotérmico ou sistema fotovoltaico. Através do sistema heliotérmico, a irradiação solar é convertida em calor a ser utilizado em usinas termelétricas, as quais, por sua vez, produzem eletricidade. Já pelo sistema fotovoltaico, a energia solar é transformada diretamente em eletricidade, através da adaptação de materiais semicondutores.
A geração de energia elétrica através do sistema fotovoltaico é exposta na Figura a seguir:
Figura 3: Geração fotovoltaica de energia elétrica
Fonte: ANEEL (2002, p.11)
De acordo com Pereira et al. (2006), o Brasil é um país com vantagens para a utilização da energia solar, uma vez que possui grande potencial para aproveitamento de energia solar durante todo ano por se encontrar em uma região intertropical. Outros pontos positivos da energia solar são apontados por Cometta (2004) e Kugler (2010):
É uma forma de energia absolutamente pura; Não precisa ser produzida de forma centralizada; Não dá origem a fumaça;
Não origina qualquer tipo de resíduo; Não origina descargas;
Vida útil dos dispositivos pode chegar a trinta anos.
As questões envolvendo a energia solar enfrentam algumas discussões importantes. Segundo a ANEEL (2002), é necessário o uso de grandes áreas para a captação de energia suficiente para que o empreendimento se torne viável, do ponto de vista econômico.
21
2.2.3 Energia eólica
Conforme Reis (2011), a produção de energia eólica no Brasil vem aumentando gradativamente, não somente devido aos custos competitivos, mas também a programas governamentais de incentivo, a exemplo do PROINFA, já abordado neste trabalho.
Conceitualmente, pode-se definir a energia eólica como aquela obtida a partir do movimento gerado pela migração de massas de ar em contato com pás de cata-vento que, ao girarem, originam uma energia mecânica, a qual aciona o gerador de eletricidade (ANEEL, 2008). Historicamente, é bastante difícil definir quando este tipo de fonte de energia começou a ser utilizado, "visto que desde a antiguidade dá origem à energia mecânica utilizada na movimentação dos barcos e em atividades econômicas básicas" (ANEEL, 2008, p.81).
Ainda de acordo com ANEEL (2008), o Brasil é um país favorecido no tocante aos ventos, havendo oscilação de aproximadamente 5% na velocidade dos mesmos, além de haver duas vezes mais vento do que a média mundial. Neste sentido, a produção de energia eólica torna-se mais previsível, sendo possível sua utilização de maneira mais adequada. Sugere-se, entretanto, que as usinas eólicas possam ser utilizadas de maneira conjunta com as usinas hidrelétricas, visando manter o abastecimento de energias em períodos de estiagem.
A geração de energia eólica é realizada, basicamente, de acordo com o esquema da Figura 4.
Sobre a utilização de sistemas eólicos de geração de energia, Amarante et al. (2001) coloca que a instalação destes sistemas simplificou significativamente os estudos ambientais relacionados à produção de energia elétrica. Por este motivo, a geração de energia elétrica através de fontes eólicas cresce gradativamente, sendo uma importante fonte dentre as matrizes geradoras.
22 Figura 4: Geração de energia elétrica
Fonte: ANEEL (2002, p.67)
A energia eólica é uma das energias mais inofensivas ao meio ambiente; porém boa parte do território brasileiro, incluindo praticamente toda a região amazônica e central do Brasil, não apresenta condição de vento adequada para geração de eletricidade (PEREIRA et al., 2006).
2.2.4 Biomassa
A biomassa é conceituada como qualquer matéria de origem orgânica que permita a sua transformação em energia, seja mecânica, térmica ou elétrica (ANEEL, 2008). Conforme a origem, a biomassa pode ser agrícola (oriunda do soja, arroz, cana-de-açúcar etc), florestal (principalmente madeira) e rejeitos, urbanos e industriais (a exemplo do lixo). A produção de energia elétrica a partir da biomassa varia de acordo com a matéria-prima utilizada e a tecnologia de processamento (ANEEL, 2008).
De acordo com publicação da ANEEL (2008), a energia elétrica a partir da biomassa é produzida a partir de diversas rotas tecnológicas, tais como:
23 Ciclo a vapor com turbinas de contrapressão;
Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração; Ciclo combinado integrado à gaseificação da biomassa.
Todas estas rotas tecnológicas buscam converter a biomassa em um produto intermediário que será, de fato, utilizado em uma máquina motriz que produzirá, por sua vez, uma energia mecânica que acionará, por fim, o gerador de energia elétrica. Sobre a utilização da biomassa para geração de energia, coloca-se que q mesma possui um significativo potencial de crescimento previsto para os próximos anos, por ser considerada uma das principais alternativas em relação à diversificação da matriz energética, tanto no Brasil quanto no mundo (ANEEL, 2008).
Não existem muitos estudos acerca da utilização da biomassa para a geração de energia elétrica e, por este motivo torna-se difícil compreender qual é, de fato, a sua participação na matriz energética mundial e, principalmente, brasileira. De acordo com ANEEL (2002), a biomassa representa cerca de 20% da oferta de energia no Brasil; porém, através dos incentivos governamentais, busca-se aumentar esta participação na matriz energética brasileira.
O biodiesel é uma mistura de ésteres de ácidos graxos oriundos da biomassa, que apresente conformidade com especificações. O objetivo de sua pesquisa é reduzir o consumo do óleo diesel proveniente do petróleo. De acordo com Burattini (2008), ele substitui total ou parcialmente o óleo diesel de petróleo em motores automotivos ou estacionários, e pode ser utilizado puro ou misturado ao diesel, em diversas proporções.
O impacto econômico do biodiesel pode ser avaliado sob os seguintes fatores, conforme Hindrich e Kleinbach (2003):
Surgimento de um novo mercado;
Agregação de valores às matérias-primas; Investimentos em plantas e equipamentos; Geração de empregos;
Redução das importações de petróleo e diesel refinado; Aquecimento de economias regionais;
Fixação do homem no campo.
Percebe-se, portanto, que o biodiesel (e, portanto, a biomassa, já que se trata de um subproduto da mesma) ocasiona uma série de aspectos positivos em sua utilização para a produção de energia.
24
2.2.5 Energia das marés
A energia das marés (energia gravitacional) é bastante utilizada na França (ROSA, 2015). Trata-se de uma energia oriunda do enchimento e esvaziamento, alternadamente, das baías e dos estuários. Durante as marés cheias, o nível das águas sobe consideravelmente, podendo ser utilizado para a geração de energia elétrica (REIS, 2011).
A geração de energia a partir das marés encontra-se esquematizada na Figura a seguir:
Figura 5: Geração de energia a partir das marés
25
3. GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS
3.1 Biodigestores
Segundo Silveira (1981), no século XVIII, Alessandro Volta observou que a decomposição de vegetais em ambientes fechados produzia gás. A descoberta e divulgação deste fato gerou um grande interesse de muitos países pela fabricação e instalação desse sistema que posteriormente seria chamado de biodigestor.
Biodigestores são equipamentos que utilizam resíduos orgânicos para gerar gás e adubo, geralmente são alimentados com restos de alimentos e fezes de animais. Tais resíduos passam pela decomposição por micro-organismos anaeróbicos, dessa decomposição resultam a biomassa, o biofertilizante e o biogás.
Existem vários tipos de biodigestores e a sua indicação depende do tipo de resíduo, da disponibilidade do material e da necessidade de utilização de biogás.
3.1 .1 Biodigestor Contínuo
Este tipo de biodigestor é alimentado continuamente com um substrato que seja de fácil degradação para não causar entupimentos e permitir a renovação dos resíduos. Geralmente é um tanque circular construído abaixo do solo, para o qual, através de uma canalização de entrada, é introduzido o material orgânico com água. Nesse tanque ocorre a fermentação e a formação do biogás, que, enquanto é extraído por tubulação na parte superior, o biofertilizante é removido através dos dutos de saída.
Segundo Gaspar (2003) existem vários tipos de biodigestores, porem os mais difundidos são o Chinês, o Indianos e o Canadense. Cada um possui sua peculiaridade, porem ambos têm como objetivo criar condição anaeróbica, ou seja, total ausência de oxigênio para que a biomassa seja completamente degradada.
26
3.1.1.1 Biodigestor Indiano
Este tipo de biodigestor é o mais eficiente, pois seu modelo permite que a matéria orgânica circule por todo o seu interior e também por manter a pressão do gás constante, pois, à medida que o gás é produzido e não consumido, a campânula tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume e assim mantendo a pressão (DEGANUTTI, 2002). A figura abaixo representa um biodigestor do tipo Indiano.
Segundo Souza (2009), os principais componentes de um biodigestor Indiano são:
Caixa de carga – local de diluição dos dejetos;
Tubo de carga – conduz dejetos da caixa de carga para o interior do biodigestor;
Câmara de biodigestão cilíndrica – local de ocorrência da fermentação anaeróbicacom produção de biogás;
Gasômetro – local de armazenamento do gás produzido, formado por uma campânula/campana que se movimenta verticalmente;
Tubo guia – guia o gasômetro quando este se movimentar para cima e para baixo;
Tubo de descarga – conduz para a saída o material fermentado sólido e líquido;
Caneleta de descarga – local de recebimento do material fermentado sólido e líquido;
Saída de biogás – dispositivo que permite a saída do biogás produzido para ser encaminhado para os pontos de consumo.
Figura 6: Biodigestor do tipo Indiano
27
3.1.1.2 Biodigestor Chinês
Neste tipo de biodigestor uma parcela do gás formado na caixa de saída é liberado para a atmosfera, reduzindo parcialmente a pressão interna do gás, por este motivo as construções de biodigestor tipo chinês não são utilizadas para instalações de grande porte (DEGANUTTI, 2002).
Figura 7: Biodigestor modelo Chinês
3.1.1.3 Biodigestor Canadense
O biodigestor modelo Canadense, segundo Souza (2009), também chamado de biodigestor de fluxo tubular, apresenta uma tecnologia mais moderna, mesmo possuindo uma construção simples, com uma câmara de biodigestão escavada no solo e um gasômetro inflável feito de material plástico ou similar, como mostrado na figura 8.
28 Figura 8: Biodigestor modelo Canadense
3.1.2 Biodigestores sistema batelada ou estático
O sistema do tipo batelada tem como característica principal, o fato de ser abastecido com resíduos não triturados de uma só vez, e somente quando todo o gás produzido for utilizado. Por sua produção não ser contínua é frequentemente utilizada em propriedades onde exista sazonalidade na produção, na figura 4, temos o esquema de um biodigestor tipo batelada em corte.
29 Figura 9: Biodigestor tipo Batelada
Fonte: EMBRAPA Meio Ambiente (2012)
3.2 Biogás
O biogás é uma fonte de energia pouco valorizada encarada como um subproduto da biodigestão de resíduos orgânicos. Porém “trata-se de um produto energético em si, capaz de mover e sustentar os trabalhos de nossas principais atividades de produção” (BLEY JR, 2014, p.143).
3.2.1 Composição e propriedades do biogás
Segundo, Teixeira (1998), biogás, ou gás metano, como também é conhecido, possui alta capacidade como combustível, possuindo uma chama azul clara queimando com nível de poluição mínima. Sendo o produto final de uma fermentação anaeróbica (fermentação está feita sem a presença de oxigênio) de resíduos vegetais, dejetos de animais, lixos residenciais, dentre outros objetos.
30 Composto pela mistura de gases, principalmente por gás metano (CH4) e dióxido de
carbono (CO2), sendo seu potencial energético diretamente ligado a quantidade de gás metano
contido na mistura, normalmente varia de 40 a 50% dependendo da fonte geradora.
Apresenta teor calorífico de 5000 a 7000 kcal/m3, podendo a chegar a 12000 kcal/m3 quando livre de gás carbônico. É altamente explosivo na proporção de 6 -15% com o ar atmosférico, da mesma forma que o gás liquefeito do petróleo.
O processo de produção do biogás é composto de quatro etapas, a hidrólise, a acidogênese, a acetogênese e a metanogênese, figura 10.Os estágios de decomposição têm de estar perfeitamente coordenados entre si para que todo o processo se realize adequadamente.
Figura 10: Esquema de decomposição anaeróbica
31 Na hidrólise os compostos orgânicos complexos como carboidratos, proteínas e lipídios, são descompostos por bactérias fermentativas, em compostos menos complexos como açucares, aminoácidos e peptídeos. A decomposição ocorre por meio extracelular através de enzimas liberadas por meio de reações bioquímicas.
Na chamada fase acidogênica ocorre a fermentação ácida dos compostos orgânicos no interior dos microrganismos gerando ácidos graxos de cadeia curta, dióxido de carbono e hidrogênio. A quantidade de hidrogênio gerada é decisiva para determinar os tipos de compostos formados nesse estágio.
A acetogênese permite a transformação dos ácidos de maior cadeia em ácido acético. Nesse ponto a produção de acetato é fortemente influenciada pela quantidade de hidrogênio, pois uma grande concentração de hidrogênio impede a conversão dos compostos intermediários da acidogênese.
No último estágio da constituição do biogás está a metanogênese, que é um processo de respiração anaeróbica, que permite, através da conversão de dióxido de carbono, ácido acético e hidrogênio a obtenção do metano.
De modo geral, as quatro fases da decomposição anaeróbia ocorrem paralelamente em um processo de um único estágio. No entanto, uma vez que as bactérias têm exigências diferentes quanto ao seu habitat, tais como o pH e a temperatura, deve ser definido um meio termo em relação à tecnologia do processo.
3.2.2 Fatores que influenciam na produção de biogás
3.2.2.1 Influência da Temperatura
De forma geral, quanto maior for à temperatura maior será a velocidade do processo químico, porém pesquisas têm registrado a aplicação do processo anaeróbico em diferentes faixas de temperatura
Em função de sua temperatura os microrganismos envolvidos na degradação se dividem em:
Faixa psicrofílica: entre 0 e aproximadamente 20 °C;
Faixa mesofílica: entre 20 e aproximadamente 45 °C;
32 Os microrganismos da faixa psicrofílica se caracterizam pela lenta decomposição e reduzida produção do gás, o que geralmente impossibilita a operação de usinas de biogás em escala comercial.
A maioria dos microrganismos metanogênicos apresenta crescimento em faixa mesofílica, pois tal faixa de temperatura permite rendimentos elevados de gás e proporciona uma boa estabilidade do processo.
Segundo Soares (1990), o processo apresenta uma maior instabilidade nos seus parâmetros de controle, quando operado na faixa termofílica, e quando ocorre variação da temperatura, esse problema se agrava podendo afetar mais seriamente o processo.
3.2.2.2 Influência da Acidez
A regra da temperatura vale também para o pH. Os microrganismos envolvidos nos estágios de decomposição necessitam de diferentes níveis de pH para seu melhor desempenho, que se dá entre 6,4 e 7, 8. A amostra de pH deve ser tomada do material que está saindo do biodigestor e pode ser feita através de papéis indicadores de pH.
Segundo Kaltscmitt, independentemente de o processo ocorrer em um ou mais estágios, o valor do pH é determinado automaticamente pelos metabólicos ácidos e alcalinos que são produzidos na decomposição anaeróbica.
No que diz respeito ao controle do processo, deve se observar que, como o valor do pH varia lentamente, o uso desse parâmetro para controlar o equipamento tem limitações, ainda que, em função de sua importância ele tenha que ser verificado pelo menos uma vez por semana.
3.2.2.3 Influência da Concentração de Nutrientes
Todos os microrganismos envolvidos na decomposição anaeróbica têm suas necessidades próprias de vitaminas, micro e macronutrientes. Os limites máximos e mínimos concentrados em cada espécie são difíceis de serem definidos pela excepcional capacidade adaptativa dos mesmos.
Para que se possa extrair o máximo de metano do resíduo utilizado, a disponibilidade dos nutrientes deve ser mantida em níveis ótimos. Como a proporção adequada entre macro e
33 micronutrientes é uma condição para a estabilidade do processo metabólico, a relação de carbono/nitrogênio deve ficar na faixa de 10 a 30 para que se tenha uma rápida fermentação.
Além dos macronutrientes, a disponibilidade desses micronutrientes é essencial para a sobrevivência dos microrganismos no reator. A demanda de micronutrientes é geralmente atendida na maioria das usinas de biogás agrícolas, principalmente nas usinas que utilizam dejetos de animais.
3.2.2.4 Influência das Substâncias Tóxicas
A diminuição da produção de gás pode ser ocasionada pela ação de substâncias inibidoras, que em elevadas concentrações podem até ocasionar a parada do processo de digestão.
Durante a digestão, são formadas diversas substâncias que podem inibir o processo. Como os microrganismos têm a capacidade de se adaptar facilmente é difícil de determinar a concentração exata a partir da qual um nutriente é prejudicial.
Como podemos ver na tabela 1 existem substâncias capazes de inibir o processo de digestão mesmo em pequenas quantidades.
Tabela 1: Inibidores e sua concentração tóxica em processos de digestão anaeróbica
Inibidor Concentração de inibição
Observação
Oxigênio >0,1 mg/l
Inibição das arqueas metanogênicas anaeróbicas obrigatórias.
Sulfeto de Hidrogênio >50 mg/l H2S Quanto menor o pH, maior o efeito inibitório.
Ácidos Graxos voláteis >2.000 mg/l HAC (pH=7,0)
Quanto menor o pH,maior o efeito inibitório. Alta
34 adaptabilidade das bactérias Nitrogênio Amoniacal 3.500 mg/l NH4+ (pH=7,0) Quanto maior o pH e a temperatura, maior o efeito inibitório. Alta adaptabilidade das bactérias Metais pesados Cu > 50 mg/l Zn > 150 mg/l Cr > 100 mg/l Só metais dissolvidos apresentam efeito inibidor. Descontaminação pela precipitação de sulfeto Desinfetantes antibióticos
N.E. Efeito inibitório varia com o composto
Fonte: Guia Prático do Biogás, 2010
Quando se utilizam dejetos de animais, deve-se observar que o cobre, quando presente em altas concentrações nas rações de suínos e nos antibióticos dados as aves, pode impedir a produção de gás por atuarem sobre as bactérias.
Fonte: Guia Prático do Biogás Fonte: Guia Prático do Biogás
35
4. TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS
Atualmente, existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética do biogás. Segundo Pecora (2006) esta conversão é um processo de transformação das moléculas de biogás, por meio de uma combustão controlada, em energia mecânica, que posteriormente irá ser convertida em energia elétrica.
As tecnologias convencionais para a transformação energética do biogás são as turbinas a gás e os motores de combustão interna de ciclo Otto. A utilização de microturbinas ainda apresenta custos elevados e o seu tempo de vida útil operando com biogás ainda é baixo (CASTRO, 2006).
4.1 Turbinas a gás
As turbinas a gás podem ser classificadas em ciclo aberto e ciclo fechado, sendo o primeiro o mais utilizado. Na turbina com ciclo de operação aberto (figura 10a) o fluído é comprimido elevando-se a pressão. Este, por sua vez, entra na câmara de combustão, que em contato com o combustível reage, iniciando o processo de queima. No ciclo fechado, ilustrado na figura 10b, os gases liberados passam por um resfriamento para entrarem novamente no compressor (MORAN e SHAPIRO, 2002).
Figura 11 : Turbina a gás: (a) circuito aberto; (b) circuito fechado
Fonte: Castro, 2006
Segundo Moran e Shapiro (2002), uma idealização frequentemente utilizada no estudo de instalações de potência com turbinas a gás é a de uma análise de ar-padrão. Pode-se dizer,
36 ainda, que o ciclo de operação aberto é o processo real de combustão interna enquanto que o ciclo fechado é a aproximação de um processo ideal de transferência de calor.
4.1.1 Ciclo de ar- padrão ideal Brayton
Considera-se o ciclo Brayton como um ciclo ideal que controla o comportamento das turbinas a gás. A figura 11 mostra os diagramas de pressão/volume (Pv) e temperatura/entropia (Ts) para o ciclo Brayton que utiliza compressão e expansão isentrópicas.
Figura 12: Ciclo de ar-padrão ideal Bryton
Fonte: MORAN;SHAPIRO, 2002. Por meio da figura 11 podem-se identificar os quatro processos: 1-2: Compressão isoentrópica no compressor;
2-3: Aumento de temperatura a pressão constante; 3-4: Expansão isoentrópica na turbina e;
4-5: Recuperação de calor a pressão constante.
4.1.2 Ciclo Brayton com regeneração
Caso os gases oriundos da turbina fossem despejados diretamente para o ambiente, grande quantidade de energia estaria sendo desperdiçada, visto que a temperatura desses gases é superior à ambiente. Através da troca de calor é possível utilizar esse potencial energético antes de entrar na câmara de combustão, reduzindo a quantidade de combustível a ser queimado, conforme mostrado na figura abaixo (MORAN e SHAPIRO,2002).
37 Figura 13: Ciclo regenerativo da turbina a gás
Fonte: MORAN; SHAPIRO, 2002
Os regeneradores geralmente têm um custo elevado em relação à sua aplicação, por isso a sua utilização deve ser bem justificada ao equipar uma turbina a gás. Outro aspecto importante que deve ser considerado é o fato do regenerador diminuir a temperatura dos gases de exaustão, reduzindo, portanto a eficiência do sistema de cogeração.
4.1.3 Microturbinas
Segundo a USEPA, as microturbinas foram introduzidas em nosso quotidiano principalmente pelo seu continuo desenvolvimento durante as últimas décadas, o que permitiu a estas máquinas de menor porte uma capacidade de geração de 28 até 200 kW.
A partir disto tem-se a redução no consumo de combustível e a máxima geração de potência elevam a eficiência do ciclo. Isto devido ao conceito, que incorpora o resfriamento do ar de combustão na entrada do compressor, obtendo-se, melhor eficiência e potência destes ciclos, já que o ar, a elevadas temperaturas apresenta menor densidade, reduzindo a massa de ar a ser fornecida à turbina (PEREIRA, 2003).
4.2 Motores de Combustão Interna
O motor de combustão interna é assim chamado por realizar trabalho queimando uma mistura de vapor e combustível dentro de um cilindro. O trabalho mecânico é gerado com a transformação do movimento retilíneo do pistão em circular por meio de um virabrequim. É um mecanismo amplamente utilizado, por ser um processo prático e apresenta grande durabilidade (CORREA, 2003).
38 Em 1876, o engenheiro alemão Nikolaus August Otto desenvolveu um motor com o conceito de quatro tempos e até hoje é conhecido como motor de ciclo Otto. No ano de 1892, Rudolph Diesel, eliminou a necessidade de um circuito elétrico para o início da combustão. Esse motor foi então denominado de ciclo Diesel.
Pecora (2006) afirma que a diferença básica entre o ciclo Otto e o Diesel está na forma em que ocorre a combustão. No ciclo Diesel, a combustão ocorre pela compressão do combustível na câmara de combustão, enquanto que no ciclo Otto, a combustão ocorre pela explosão do combustível através de uma fagulha na câmara de combustão.
4.2.1 Motores Ciclo Otto
Segundo Rocha (2009), o motor a combustão interna ciclo Otto é uma máquina que trabalha com os princípios da termodinâmica e com os conceitos de compressão e expansão de fluidos gasosos para gerar força e movimento rotativo.
A figura apresenta os quatro tempos do motor Otto, assim chamado, pois seu funcionamento ocorre sequencialmente em quatro etapas.
Figura 14: Esquema das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto
Fonte: PECORA, 2006
Castro (2006) lista, conforme pode-se observar na sequência, as 4 etapas do funcionamento do motor Otto.
Primeiro tempo: a válvula de admissão é aberta e uma mistura de combustível e ar é injetada no cilindro através da válvula de admissão; o virabrequim, ao rodar empurra o pistão para baixo.
39 Segundo tempo: a válvula de admissão fecha-se; a mistura é comprimida (a uma taxa da ordem de 10:1) à medida que o pistão se eleva e, antes que este chegue à parte superior, a vela provoca uma faísca.
Terceiro tempo: a mistura incendeia-se e explode; os gases quentes que se expandem, formados na explosão, produzem uma força que faz com que o pistão desça, movimentando a cambota através da biela.
Quarto tempo: a válvula de escape abre-se e os gases são expulsos pelo pistão que se eleva.
Os motores com estas características não têm fontes quentes e frias explícitas. A fonte quente resulta do calor gerado na explosão do combustível enquanto a fria da substituição de uma fração do fluído de combustível quente.
4.2.2 Motores Ciclo Diesel
O ciclo diesel é caracterizado pela combustão ser causada pela compressão da mistura do ar mais o combustível. Este processo não se limita apenas a combustíveis líquidos, atualmente já são produzidos motores conhecidos como de combustíveis mistos ou conversíveis que podem também utilizar gás como combustível no processo Diesel (PEREIRA, 2006).
A figura 15 mostra os quatro ciclos do motor diesel. No primeiro ciclo o ar é admitido pela câmara, no segundo, o pistão faz compressão dessa massa de ar e a temperatura é elevada, causando explosão no final do ciclo. A expansão do gás originário dessa explosão força o pistão para baixo, originando o terceiro ciclo. No último estágio os gases são liberados pela válvula, quando então, reinicia-se o processo.
Figura 15: Funcionamento do motor diesel
40 Neste ciclo, o aumento da taxa de compressão acarreta o aumento da eficiência térmica. Na figura 16 é possível observar que o mesmo acontece para o ciclo Otto, diferenciando-se do ciclo Diesel apenas pela razão de corte, expressa pela Equação 1.
𝑟𝑐 = 𝑉3 𝑉2 (1) Onde: rc: Razão de corte; V2: volume no ponto 2; V3: volume no ponto 3.
A constante k é relação entre calores específicos em função da temperatura e pode ser vista na Equação 2 (MORAN; SHAPIRO, 2002). Portanto, com a mesma taxa de compressão, o ciclo Diesel apresenta menor eficiência térmica se comparado ao ciclo Otto.
𝑘 =𝐶 (2) Onde:
k: Constante;
Cp(T):Calor específico à pressão constante;
Cv(T): Calor específico à volume constante.
Figura 16: Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Diesel, k=1,4
41
5. METODOLOGIA
5.1 Modelos Matemáticos para o Cálculo da Geração de Biogás
A metodologia utilizada neste trabalho é a recomendada pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos – USEPA (2005). No entanto neste trabalho serão apresentadas outras metodologias de cálculo de geração de metano como é o caso do Banco Mundial e do IPCC (Painel Governamental sobre Mudanças Climáticas).
5.1.1 Metodologia USEPA
A USEPA apresenta duas metodologias para calcular a geração de metano em aterros: uma para sistemas de disposição sem controle e outra para emissões em sistemas de disposições controladas.
6.1.1.1 Sistema sem controle
Para o tipo de disposição sem controle é apresentada a Equação (3) com a qual podem ser calculadas as emissões de metano. Esta metodologia tem como base a estimativa direta das emissões de metano a partir do modelo Land-Gem.
𝑄𝐶𝐻4 = 𝐿0. 𝑅. (𝑒−𝑘𝑐− 𝑒−𝑘𝑡) (3)
Onde:
QCH4 = Metano gerado no ano t, (m³/ano).
L0 = Potencial de geração de metano por tonelada de resíduo depositado, (m³ CH4 / t
resíduo).
R = Média anual de entrada de lixo no vazadouro, (t/ano). k = taxa de geração de metano, (ano-1).
c = anos desde o fechamento, c=0 para os ativos, (ano). t = anos desde o início da atividade, (ano).
Na tabela são apresentados os valores propostos pela USEPA, na ausência de dado, para os coeficientes k e L0.
42 Tabela 2: Valores de k e Lo propostos pela USEPA
Pluviometria Anual > 635 mm < 635 mm
K 0,04 0,02
L0 100 m3/t 100 m3/t
Fonte: USEPA AP. 42,1998
Se a densidade do resíduo não for conhecida pode ser estimada conforme a tabela abaixo.
Tabela 3: Estimativa do Lixo Depositado
Tipo de Compactação Densidade (kg/m3)
Lixo Compactado 635 – 831 (Média 742)
Lixo degradado Compactado 1.000 – 1.127 (Média 1.068)
Sem Dados 688
Fonte: USEPA 1997
Conhecendo os percentuais em volume de metano e dióxido de carbono, pode-se estimar o dióxido de carbono emitido à atmosfera pela seguinte Equação (4):
𝑄𝐶𝑂2 = 𝑄𝐶𝐻4.%(𝑉)𝐶𝑂2
%(𝑉)𝐶𝑂4 (4)
6.1.1.2 Sistema com Controle
Se existir no aterro um sistema de captação do biogás para a produção de energia elétrica através de motores de combustão ou turbinas, devem ser levados em conta os seguintes aspectos:
Eficiência do sistema de captação. Os sistemas de captação não são 100%, dessa forma, parte do biogás gerado é emitido à atmosfera diretamente.
Dispositivo de controle. Na tabela é mostrada a eficiência dos diferentes sistemas de controle em função do dispositivo utilizado.
43 Tabela 4: Eficiência do Sistema de Controle ( ɲ cont.)
Dispositivo de Controle Contaminante ɲ cont(%) Qualidade do Fator Queimador VOC 99,2 Médio – Alto
Motores de Combustão Interna VOC 97,2 Baixo
Caldeiras VOC 98,0 Médio – Baixo
Turbinas de Gás VOC 94,4 Baixo Fonte: USEPA, 1998
Para estimar as emissões quando não se dispõe da totalidade dos dados procede-se da seguinte forma: Emissões de CH4: CMCH4 = (QCH4∗ (1 − ɲcol 100)) + (QCH4∗ ɲcol 100 ∗ (1 − ɲcont 100 )) (5) Onde:
CMCH4= emissões controladas de metano, (m³/ano).
QCH4= emissões não controladas de metano obtidas com a equação (3), (m³/ano).
η col = Eficiência do sistema de captação, 75%, valor sugerido. η cont= Eficiência do dispositivo de controle, ver Tabela 4.
Emissões de CO2
CMCO2= QCO2+ (QCH4 ɲcol
100∗2,75) (6)
Onde:
CMCO2= emissões controladas de CO2, (m³/ano).
QCO2= emissões não controladas de CO2 obtidas com a equação (4), (m³/ano). η col = Eficiência do sistema de captação, 75% , valor sugerido.
44
5.1.2 Metodologia do Banco Mundial
O Banco Mundial apresenta no manual para a Preparação de Gás de Aterro Sanitário para Projetos de Energia na América Latina e Caribe (2003) o Modelo Scholl Canyon com a premissa de que há uma fração constante de material biodegradável no aterro por unidade de tempo.
O modelo é representado pela equação (7), demonstrada abaixo: Q(CH4)i = K. L0. mi. e−kt (7)
Em que:
Q(CH4)i = Metano produzido no ano i a partir da seção i do resíduo, (m³/ano);
k = Taxa da geração de metano, (anos-1);
L0 = Potencial da geração de metano, (m³ CH4 / t resíduo);
mi = Massa de resíduo despejada no ano i, (t/ano);
ti = Anos após o fechamento.
Os valores sugeridos para a constante de geração de metano (k) estão apresentados na tabela abaixo.
Precipitação Anual
Campo dos Valores K
Relativamente Inerte Moderadamente Degradável Altamente Degradável <250 mm 0,01 0,02 0,03 >250 e <500 mm 0,01 0,03 0,05 >500 e <1000 mm 0,02 0,05 0,08 >1000 mm 0,02 0,06 0,09 Fonte: Banco Mundial (2003)
45 O potencial de geração de metano (L0) representa sua produção total por tonelada de
lixo. Valores típicos para este parâmetro variam de 125 m3 a 300 m3 de metano por tonelada de
resíduo.
O Manual do Banco Mundial propõe a utilização de um valor pré-estabelecido de L0 de
170 m3 de metano/tonelada de resíduos, conforme a tabela.
Tabela 6: Valores de Lo em função da degradação do resíduo
Categorização do Lixo Valor Mínimo para L0 Valor Máximo para L0
Lixo Relativamente Inerte 5 25
Lixo Moderadamente Degradável
140 200
Lixo Altamente Degradável 225 300 Fonte: Banco Mundial, 2003
5.1.3 Metodologia IPCC
O IPCC descreve dois métodos para estimar as emissões de metano oriundo dos aterros, o método simplificado que tem como alicerce a suposição de que o total de metano é liberado durante o ano em que são produzidos os resíduos, equação (8), e o método de decomposição de primeira ordem, equações (9) e (10), que permite um perfil de emissões que tem dependência do tempo transcorrido e que reflete as reais pautas do processo de degradação ao longo do tempo.
CH4(t ano⁄ ) = (RSUT∗ RSUF∗ L0− R(t)) ∗ (1 − OX) (8)
CH4gerado(t ano⁄ ) = ∑[(A ∗ k ∗ RSUT(x) ∗ RSUF(x) ∗ L0(x)) ∗ e−k(t−x)] (9)
CH4emitido(t ano⁄ ) = [CH4gerado − R(t)] ∗ (1 − OX) (10)
Em que:
t = ano de realização do inventario.
x = ano de contribuição (desde inicio de atividade até t). A = (1-e-k)/k; fator de normalização para corrigir a soma.
46 k = constante de geração, ano-1 .
RSUT(x) = total de RSU gerados no ano x, t/ano.
RSUF(x) = fração de RSU depositada no aterro no ano x.
RSUT(x) . RSUF(x) = massa de resíduos despejada no ano x, t/ano
L0 = potencial de geração de metano (t CH4/t RSU);
L0 =FMC(x).COD(x).CODF.F.16/12.
FMC(x) = fator de correção do metano no ano x.
COD(x) = fração de carbono orgânico degradável no ano x (t C/t RSU). CODF = fração do carbono orgânico degradável assimilado.
F = fração de metano no gás do aterro, na ausência de dados 0,5. 16/12 = conversão de carbono a metano.
R(t) = quantidade de metano recuperada no ano t. OX = fator de oxidação (fração).
A equação (7) não permite uma representação fiel de aterros de RSU fechados, pois a fração exponencial é sempre crescente, o que produz uma elevação constante na geração de biogás.
6.1.3.1 Determinação do Fator de Correção para o Metano
O guia para a realização de inventários de gases de efeito estufa do IPCC (1996) propõe valores de FMC (Fator de Correção do Metano) em função do tipo do aterro onde deseja se realizar a disposição dos RSU, designando um valor do FMC para controlados e não controlados.
Segundo a definição do IPCC aterros controlados são aqueles nos quais existe uma área especifica para depositar os resíduos sendo designado para este tipo de aterro um valor do FMC de 1.
Para os aterros não controlados, denominados lixões ou vazadouros, o IPCC in CETESB (2002) recomenda que os valores de FMC variem de acordo com a altura da pilha de resíduos, como indicado na tabela.
47 Tabela 7: Fator de correção do metano (FMC) pelo IPCC
Fonte: CETESB, (2002)
5.1.3.2 Constante de Geração
A constante de geração, k, representa a velocidade de degradação da matéria orgânica. Se este parâmetro não estiver caracterizado o IPCC recomenda um valor de 0,05.
5.1.3.3 Carbono Orgânico Degradável (COD)
O carbono orgânico degradável é a fração acessível para a decomposição bioquímica dos resíduos. A tabela mostra os valores recomendados pelo IPCC para os diferentes resíduos.
Tabela 8: Valores recomendados para o COD nos principais tipos de resíduos
Fonte: IPCC (1996)
Para o cálculo do COD é proposta a seguinte Equação 11: 𝐶𝑂𝐷(𝑓𝑟𝑎çã𝑜) = 0,4𝐴 + 0,17𝐵 + 0,15𝐶 + 0,30𝐷 (11) Em que:
A= Fração dos RSU que corresponde ao papel e aos têxteis.
LDRS FMC
Altura maior ou igual a 5m 80%
Altura menor que 5m 40%
Locais sem classificação 60%
Componente Porcentagem de COD em Massa A. Papel, Papelão e Tecidos 40
B. Resíduos de Parques e Jardins 17
C. Restos de Alimentos 15
48 B= Fração dos RSU que corresponde aos resíduos de jardins e parques e outros resíduos orgânicos putrescíveis (excluídos os alimentos)
C= Fração dos resíduos que correspondem a restos dos alimentos
D= Fração dos resíduos que correspondem aos resíduos de madeira e palha
Caso não sejam conhecidas as frações dos resíduos o IPCC recomenda um valor de 12% para o COD.
5.1.3.4 Fração do Carbono Orgânico Degradável Assimilado CODF
O carbono orgânico degradável não se decompõe totalmente e parte permanece no aterro por longos períodos. O CODF corresponde à fração do carbono que realmente é degradada, na
ausência de dados o IPCC indica um valor de 77%. 5.1.3.5 Fator de Oxidação OX
O fator de oxidação é a quantidade de metano existente dos aterros que se oxida no solo. Segundo estudos realizados os aterros sanitários tendem a possuir resultados de oxidação mais altos que os lixões. Até o presente momento nenhum valor foi pré definido por isso na ausência de dados, se assume um valor igual a 0.
5.1.3.6 Incertezas Associadas
49 Fonte: IPCC
A Tabela 9 apresenta a faixa de incerteza associada a cada parâmetro, sendo que a taxa de recuperação do metano depende da maneira que são estimadas as quantidades de metano recuperado.
Parâmetro Faixa de Incerteza MSW*MSWF DOC = 0,21 DOCF = 0,77 FCM = 1 F=0,5 >± 10% - 50%, + 20% - 30%, 0% -10%, 0% -0%, 20% Recuperação de Metano (R)
A faixa de incerteza da forma em que são
estimadas as quantidades de metano recuperado, mas é provável que essa incerteza seja
relativamente pequena se comparada com outras quando se aplicam sistemas de medição
OX O fator OX deverá ser incluído na análise da incerteza quando tenha sido indicado um valor diferente de zero
Taxa de Geração de Metano k=0,05
- 40%, + 300%
50
6. ESTUDO DE CASO
6.1 Descrição do Município
O município de Ijuí está localizado na região noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, integrando o Conselho Regional de Desenvolvimento (COREDE) Noroeste Colonial e a Associação dos Municípios do Planalto Médio, conforme mostrado na figura.
Figura 17 :Mapa de localização de Ijuí no RS e no Conselho Regional de Desenvolvimento Noroeste Colonial
51 Atualmente é um dos municípios mais populoso da região Noroeste Rio-Grandense, ultrapassando 79 mil habitantes. Com uma área de 689,1 km2, Ijuí apresenta uma densidade
demográfica bruta de 115,5 hab/km2.
O clima é subtropical úmido, com quatro estações distintas. No verão muito calor (18 a 40ºC), aproximando-se do clima continental já no inverno muito frio (0 a 18ºC). As chuvas se distribuem durante o ano, durante o verão predominam as convencionais, no inverno predominam as chuvas frontais com bastante uniformidade.
O território brasileiro é subdividido em 12 regiões hidrográficas, dentre elas está a Bacia Hidrográfica do Rio Uruguai, onde o município de Ijuí está inserido (FEPAM,2006).
6.2
Sistema de Limpeza Urbana no Município
A gestão de resíduos sólidos é efetuada com o objetivo de garantir a limpeza urbana e dar destinação adequada aos resíduos gerados na cidade. Uma vez que estes não devem representar qualquer tipo de risco sanitário e ambiental á população. Deste modo, o município de Ijuí dispõe de serviços englobando varrição, coletas, tratamento e disposição de resíduos de diferentes origens.
Em novembro de 2007 foi implantada no município a coleta de lixo domiciliar com coleta seletiva, em todos os bairros e área central. Desde o fechamento do lixão em 2013, o município destina seu lixo para o aterro sanitário de Giruá.
6.3 Dados Técnicos
6.1.1 Composição dos Resíduos
É importante ter-se em conta a composição dos resíduos quando se avalia um projeto de recuperação de biogás. Por exemplo, um aterro com elevado conteúdo de lixos alimentares, altamente degradáveis, tenderão a produzir biogás mais cedo, mas durante um período de tempo mais curto.
A tabela 10 apresenta um resumo dos dados sobre a composição dos RSU do município de Ijuí.
52 Tabela 10: Composição dos RSU de Ijuí (base abril de 2011)
Material Fração (%)
Matéria Orgânica e Rejeito 64,46
Papel/Papelão 11,36
Plástico 16,16
Metais 1,23
Vidros 1,47
Outros (madeira,borrac.tecido) 5,23
6.1.2 Potencial de biogás a ser produzido
Para alcançar o objetivo proposto, ter o conhecimento da quantidade de biogás que será produzido para determinar a quantidade de energia que poderá ser gerada. Na tabela 11 é exposta a projeção da produção de RSU por dia no município.
Tabela 11: Projeção da Produção de RSU no município de Ijuí-RS
Ano Produção
RSU (t/dia) Ano
Produção RSU (t/dia) 2015 47,97 2028 51,18 2016 48,21 2039 51,43 2017 48,45 2030 51,69 2018 48,69 2031 51,95 2019 48,93 2032 52,21 2020 49,18 2033 52,47 2021 49,42 2034 52,73 2022 49,67 2035 53,00 2023 49,92 2036 53,26 2024 50,17 2037 53,53 Fonte: PLAMSAB (2011)
53
2025 50,42 2038 53,80
2026 50,67 2039 54,07
2027 50,92 2040 54,34
O sistema de captação e queima do biogás proposto (figura18), incluí poços igualmente distribuídos para extração do biogás, figura 19, por exaustão forçada com sopradores, redes de tubos conectados transportando o biogás até a unidade de tratamento, equipamento para o tratamento do biogás antes de ser enviado para queima e cobertura integral de material impermeável, como PVC, sobre a massa de resíduos (CENBIO, 2006c).
Figura 18: Estrutura técnica do sistema de captação e queima do biogás
Fonte: PDD (2005)
A tecnologia de geração de energia elétrica proposta é a do motor ciclo Otto, visto que, para a conversão energética do biogás, os motores de combustão interna possuem menor custo e maior eficiência.
