DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
GUILHERME STOCKER VIEIRA
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DO BIOGÁS DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO – ESTUDO DE CASO
Ijuí 2019
GUILHERME STOCKER VIEIRA
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DO BIOGÁS DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO SANITÁRIO – ESTUDO DE CASO
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me. Eliseu Kotlinski
Ijuí 2019
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado força e garra, e por sempre ter me protegido para que pudesse chegar até aqui.
Aos meus pais, Rosa Maria Vieira e Valter Menezes Vieira, que infelizmente não puderam acompanhar a conclusão desta etapa da minha vida. Porém sempre me incentivaram, e deram todo o apoio possível, e sei que não mediriam esforços para ajudar a fazer este momento se concretizar.
Agradeço a minha esposa Andressa Aline, que sempre me ajudou, e sempre teve paciência e compressão de entender os momentos em que eu passava noites e finais de semana estudando.
Agradeço aos meus familiares por compreenderem a minha ausência em certos momentos.
Ao meu orientador Eliseu Kotlinski, por ter me passado seus conhecimentos, e colaborado com a elaboração deste estudo.
Agradeço aos meus colegas de aula e de trabalho, e também aos meus amigos por todo companheirismo, e por toda forma de ajuda e colaboração para que este momento pudesse ser concluído.
Agradeço aos colaboradores envolvidos da CORSAN, que dedicaram seu tempo, e compartilharam seus conhecimentos, somando para a elaboração deste estudo.
Por fim, um agradecimento a todo o corpo docente, funcionários, doutores, mestres, e professores, e demais colaboradores da Unijuí, que de forma direta ou indireta tiveram envolvimento com o aprendizado durante este período.
"Para se ter sucesso, é necessário amar de verdade o que se faz. Caso contrário, levando em conta apenas o lado racional, você simplesmente desiste. É o que acontece com a maioria das pessoas."
RESUMO
O tratamento adequado do esgoto sanitário é um grande problema na maioria dos países em desenvolvimento, e quando este processo é feito de maneira incorreta ou não é realizado, problemas ambientais e de saúde se manifestam. A decomposição do esgoto sanitário ocorre em Estações de Tratamento de Esgoto (ETE), e pode ocorrer de forma anaeróbica, através de reatores que produzem biogás, sendo um gás composto em sua maioria por metano, assim podendo ser utilizado para geração de calor ou eletricidade. Portanto neste estudo é avaliado o potencial de geração de biogás que pode ser produzido através do esgoto sanitário na ETE de Ijuí - RS, para isto foi considerado um modelo, dentre os três modelos apresentados, no sentido de calcular a estimativa da geração de biogás, verificado a possibilidade da implantação de um projeto de geração de energia elétrica com o biogás proveniente deste processo, através de um estudo de caso.
Palavras-chave: Energias Renováveis, Estações de Tratamento de Esgoto, Biogás, Geração Distribuída.
ABSTRACT
Adequate treatment of sewage is a major problem in most developing countries, and when this process is done incorrectly or is not performed, environmental and health problems are manifested. The decomposition of sanitary sewage occurs in Sewage Treatment Stations (STS), and may occur anaerobically, through reactors that produce biogas, being a gas composed mostly by methane, so it can be used for heat or electricity generation. Therefore, in this study, the potential for biogas generation that can be produced through the sanitary sewage STS of Ijuí-RS, for this was considered a model, among the three models presented, in order to calculate the biogas generation estimate, and verified the possibility of implementing a project to generate electricity with the biogas from this process, through a case study.
Keywords: Renewable Energies, Sewage Treatment Stations, Biogas, Distributed Generation.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Esquema construtivo de uma usina hidrelétrica ... 19
Figura 2 – Sistema de geração fotovoltaica ... 20
Figura 3 - Turbina eolica para geração de energia ... 21
Figura 4 – Geração de energia elétrica a partir das marés ... 22
Figura 5 – Biodigestor modelo Indiano ... 33
Figura 6 – Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chinês... 34
Figura 7 – Representação esquemática de um UASB. ... 35
Figura 8 – Grupo gerador-motor ciclo otto. ... 38
Figura 9 – Desenho esquemático das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto. ... 39
Figura 10 – Representação esquemática do funcionamento de um motor diesel. ... 39
Figura 11 – Detalhes construtivos de uma turbina. ... 40
Figura 12 – Microturbina Capstone. ... 42
Figura 13 – Localização do município de Ijuí ... 48
Figura 14 – Entrada do Afluente ... 50
Figura 15 – Filtro Biológico ... 50
Figura 16 – Banhado ... 51
Figura 17 – Leitos de Secagem ... 51
Figura 18 – Modelo de reator UASB a ser adotado ... 53
Figura 19 – Produção de biogás ao longo do dia ... 54
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação entre digestão aeróbia e anaeróbica ... 27
Tabela 2 – Composição Setorial do Consumo final de Biomassa ... 28
Tabela 3 – Poder Calorífico de Alguns Gases ... 30
Tabela 4 – Aproveitamento de Energia Elétrica... 37
Tabela 5 – Composição Setorial do Consumo final de Biomassa ... 55
Tabela 6 – Potencial do biogás produzido ... 57
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica BEN – Balanço Energético Nacional
CH4 – Metano
CO – Óxido de Carbono
CORSAN – Companhia Rio grandense de Saneamento CO2 – Dióxido de Carbono
DQO – Demanda Química de Oxigênio DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio
DEMEI – Departamento Municipal de Energia de Ijuí ETE – Estação de Tratamento de Esgoto
FEPAM – Fundação Estadual de Proteção Ambiental GEE – Gases do Efeito Estufa
hab./Km² – Habitantes por quilômetro quadrado IAP – Instituto Ambiental do Paraná
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística INMET – Instituto Nacional de Meteorologia
IPCC – Painel Governamental sobre Mudanças Climáticas (Intergovernmental Panel
on Climate Change)
km - quilômetro kW – Quilowatts
MDL – Movimento de Desenvolvimento Limpo MMA – Ministério do Meio Ambiente
pH – Potencial Hidrogeniônico
Plamsab – Plano municipal de saneamento básico
PNUD – Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento RAFA – Reator Anaeróbico de Fluxo Ascendente
RS – Rio Grande do Sul
tep – tonelada equivalente de petróleo
UASB – “Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor” - Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo
UNFCCC – Convensão-Quadro das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima (United Nations Framework Convention on Climate Change)
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 JUSTIFICATIVA ... 15
1.2 OBJETIVO GERAL... 16
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17
2 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL... 18
2.1 FONTES DE ENERGIA RENOVAVEL ... 18
2.1.1 Energia Hidráulica ... 19
2.1.2 Energia Solar... 20
2.1.3 Energia Eólica ... 21
2.1.4 Energia das Mares ... 22
3 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS ... 23
3.1 DIGESTO DO LODO ... 24
3.1.1 Digestão Aeróbia ... 25
3.1.2 Digestão Anaeróbica... 25
3.2 BIOMASSA ... 27
3.3 BIOGÁS ... 29
4 FORMAS DE OBTENÇÃO DO BIOGÁS ... 32
4.1 BIODIGESTOR MODELO INDIANO ... 32
4.2 BIODIGESTOR MODELO CHINÊS ... 34
4.3 BIODIGESTOR MODELO RAFA ... 35
5 TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS PARA CONVERSÃO DO BIOGÁS ... 37
5.1 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ... 38
5.2 TURBINA A GÁS ... 40
5.3 MICROTURBINAS ... 41
6 METODOLOGIA ... 43
6.1 MODELOS MATEMÁTICOS PARA O CÁLCULO DA GERAÇÃO DO BIOGÁS ... 43
6.1.1 Metodologia a Partir da Estimativa da Carga de DQO ... 43
6.1.2 Metodologia IPCC ... 46 6.1.3 Estimativa de Produção de biogás segundo metodologia do UNFCCC (2012) 46
7 ESTUDO DE CASO ... 48
7.1 DESCRIÇÃO DO MUNICÍPIO ... 48
7.2 SISTEMA DE TRATAMENTO DO ESGOTO NO MUNICÍPIO ... 49
7.3 DADOS TÉCNICOS ... 54
7.4 POTENCIAL DE BIOGÁS A SER PRODUZIDO ... 56
7.5 ESTIMATIVA DO POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ... 57
7.6 DOCUMENTAÇÃO NECESSÁRIA ... 60
8 CONCLUSÃO... 62
8.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 63
9 REFERÊNCIAS ... 64
1 INTRODUÇÃO
Não é de hoje que o ser humano utiliza fontes de energia para facilitar suas atividades diárias, porém com o passar dos anos as fontes de energia não renováveis, foram sendo descobertas, e aplicadas de alguma forma em diversos processos de modo a facilitar a vida do homem. Porém, atualmente existe uma preocupação em relação a escassez deste tipo de combustível, assim como, o problema do impacto ambiental que estas fontes de energia causam.
Desta forma, segundo a ANEEL (2008) o estudo em relação às fontes de energia renováveis, ou seja, as que são inesgotáveis, que podem ser chamadas também de fontes de energia limpa, vêm crescendo, apesar de muitas terem um alto investimento inicial, e um longo período para se obter o retorno financeiro, em alguns países desenvolvidos, são as formas de energia mais predominantes, pois estes fazem investimentos em longo prazo, o que se vê acontecer pouco em países que se encontram em desenvolvimento.
No Brasil, a maior parte da geração de energia elétrica é proveniente de energias renováveis. A matriz energética brasileira é composta em sua maioria por usinas hidrelétricas, porem vem se expandindo pequenos projetos relacionados à energia eólica e fotovoltaica. O que vem se expandindo é a energia gerada através da biomassa, que vem destacando diversos projetos para obtenção de energia, assim apresentando crescimento (ANEEL, 2008). Boente et al (2015, p. 2) afirma que:
A produção de Energia Limpa está sendo alvo de grandes discussões e estudos para sua utilização, devido aos problemas ambientais que estamos sofrendo, ocasionados principalmente pela poluição e emissão de gases poluentes causadores do Efeito Estufa.
A biomassa é uma fonte de energia gerada da queima de madeira e de resíduos agrícolas, entre outros, sendo uma das principais fontes de energia no Brasil, superada apenas pela energia hidrelétrica. A biomassa também pode ser caracterizada pela decomposição da matéria orgânica, obtida através dos rejeitos humanos, como o lixo e resíduos de esgoto. Cardoso (2012, p. 4) referência que a biomassa:
Por ser considerada uma fonte energética limpa e renovável, o interesse na utilização de biomassa ganhou espaço no mercado de energia, passando a ser considerada uma boa alternativa para a diversificação da matriz energética mundial e consequente redução da dependência dos combustíveis fósseis.
A decomposição da matéria orgânica pode ocorrer através do tratamento de efluentes, que ocorre por meio da fermentação aeróbica ou anaeróbica. A fermentação aeróbica da matéria ocorre com a presença de oxigênio. Já a anaeróbica ocorre em um ambiente fechado sem a presença de oxigênio, o que resulta na produção de biogás, que é queimado e liberado para atmosfera. Assim, com base no Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento – PNUD e Ministério do Meio Ambiente - MMA (2010, p. 8) compreende-se que decomposição anaeróbica é:
Um processo biológico envolvendo diversos tipos de microrganismos, na ausência do oxigênio molecular, com cada grupo realizando uma etapa específica, na transformação de compostos orgânicos complexos em produtos simples, como metano e gás carbônico.
O Biogás é formado a partir da fermentação anaeróbica e composto basicamente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), este gás tem elevado
poder calorífico, o que o torna adequado para queima. Sousa, Gaia e Rangel (2010, p. 378) citam que:
O biogás é gás natural produzido a partir da decomposição feita por bactérias em resíduos; é uma mistura gasosa, combustível, resultante da fermentação anaeróbica da matéria orgânica. Essa energia pode contribuir para a redução do CO2 na atmosfera e consequentemente a redução do efeito estufa.
Este gás pode ser canalizado para um reservatório, e posteriormente servir de combustível para um motor, que ao ser conectado a um gerador, pode produzir energia elétrica.
No Brasil, o tratamento do esgoto e do lixo não é realizado em muitas cidades. Dois exemplos conhecidos mundialmente são: a cidade de São Paulo, onde existe o famoso Rio Tietê, por onde passa esgotos, resíduos industriais e todo tipo de lixo que se pode imaginar, assim como, a praia de Copacabana, localizada no Rio de Janeiro,
é considerada umas das praias mais poluídas do Brasil, sofrendo todos os tipos de contaminação. Além de estes lugares terem um cheiro desagradável, são locais onde as pessoas depositam coisas das quais desejam se desfazer, em alguns casos até móveis, ou objetos que a rede pública de coleta de lixo não recolhe, estes são exemplos básicos de destino incorreto que os brasileiros estão dando para seus resíduos.
Talvez a ideia de tratar todo o esgoto antes de ir para os rios e mares não seja tão atrativa para a parte da população que não vive em zonas de risco, que em um primeiro momento, por não se ter muitas informações sobre o tema tem a ideia de que se investirá em algo que não trará retorno financeiro, apenas contribuirá para o meio ambiente local. O fato de tratar todo este esgoto, e devolver a água para os rios da forma com que foi retirada, evitando doenças e contribuindo com o meio ambiente e no meio deste processo, ainda gerar energia elétrica é algo muito atrativo para investidores e para a economia do país. Segundo Costa e Abreu (2018, p. 16):
Os custos de investimento em energia renovável são em sua maioria, superiores aos necessários para a adoção de fontes tradicionais. Não obstante, invariavelmente as energias renováveis trazem consigo externalidades positivas passíveis de serem mensuradas, como o desenvolvimento das áreas econômica e social.
Outra forma de tornar este projeto viável são os lucros gerados através dos créditos de carbono, que são projetos realizados para diminuir a emissão de Gases do Efeito Estufa (GEE). O Brasil, por ser um país em desenvolvimento não tem obrigação de realizar projetos para reduzir os GEE, porém, após o Protocolo de Quioto países desenvolvidos devem realizar projetos que reduzam a emissão de gases poluentes, por isso, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), é uma modalidade da qual os países em desenvolvimento podem participar e realizar projetos para reduzir os GEE, os quais são vendidos para países desenvolvidos atingirem suas metas (SANTOS, et al, 2011). A geração de energia elétrica através do biogás é um projeto que pode ser enquadrado no MDL, podendo assim, com a redução que causa dos GEE, ser vendido para um país desenvolvido para conseguir atingir suas metas de redução.
O município de Ijuí-RS tem muitos locais onde se encontram redes de esgotos a céu aberto, que em alguns pontos se interligam com córregos e arroios (Plamsab, 2011). Por isso acabam ficando totalmente contaminados, não bastando este tipo de poluição, a população por falta de conscientização e cultura acaba jogando lixo nestes locais. Esta cidade não é considerada um dos piores exemplos de problemas com saneamento básico, porém pode melhorar, investindo-se em soluções que ofereça retornos financeiros, e uma melhor qualidade de vida para população que mora em locais próximos a ambientes desconfortáveis devido à poluição gerada pela rede de esgoto.
Segundo informações fornecidas pelo prefeito municipal de Ijuí, no dia 15 de outubro de 2017, em seminário realizado na feira de exposições Expoijuí Fenadi, o município gasta R$ 40.000,00 por semana para levar o lixo da cidade de Ijuí para um aterro sanitário na cidade de Giruá. Sendo que em meses marcados por feriados e datas comemorativas, este valor pode chegar a R$ 400.00,00 ao mês, pelo fato de ter um volume maior de lixo. É outro problema relacionado a poluição ambiental, que também pode ser tratado e usado para geração de energia elétrica. São problemas ambientais que preocupam a população.
1.1 JUSTIFICATIVA
Por mais que as redes maiores de esgoto estejam sendo conduzidas através de pequenos mananciais de água que passam pela cidade, os bairros estão passando por obras que interligam quase todas as casas à rede de esgoto, que, seguidamente será destinado a uma estação de tratamento de efluentes para realizar o processo de descontaminação da água, e posteriormente ser devolvida ao Rio Potiribu, que abastece a cidade. Desta forma, além de tratar os resíduos gerados pela população local, é possível gerar biogás, o qual será transformado em energia elétrica, contribuindo para a qualidade e abastecimento de energia do município.
O lançamento de esgoto sem tratamento, ou sem passar pelo processo adequado de desinfecção, nos caminhos dos mananciais de água, contribui para contaminação com organismos do “grupo coliforme”, sendo alguns agentes responsáveis por doenças de veiculação hídrica pertencentes a este grupo. Outros
meios mais intensos de contaminação ocorrem em áreas onde não possui tratamento de esgoto, e muitas vezes o mesmo passa por bairros e vilarejos a céu aberto, no qual existe um grande índice de contaminação por doenças, como: diarr eia infecciosa, cólera, leptospirose, hepatite e esquistossomose. (JORDÃO E PESSÔA, 2011).
Uma das causas da mortalidade infantil ocorre por falta de saneamento básico, sendo um problema para a saúde pública do Brasil, a qual se enquadra entre as doenças infecciosas e parasitárias. Na maioria dos casos, a mortalidade infantil ocorre por doenças como diarreia, sendo o maior índice de ocorrências entre crianças menores de cinco anos, e dentro desta faixa, o maior número de óbitos entre crianças menores de um ano, por serem mais sensíveis aos materiais contaminantes do esgoto sanitário. (BUHLER et al, 2014).
O estudo não só favorece o município, mas todo o sistema de geração e distribuição. Pois a energia distribuída reduz custos com redes de transmissão, pelo fato de estar gerando energia próxima aos consumidores, aumentando a qualidade da energia distribuída nas proximidades, e garantindo uma maior continuidade no serviço. Outro ponto positivo seria nas futuras solicitações de carga, que em algumas situações um reforço de rede teria um custo elevado, tendo assim um ponto de geração distribuída no local evitaria este tipo de gasto, tornando um investimento mais rentável.
1.2 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho é realizar um estudo, embasado em bibliografias, e dados obtidos em campo, a fim de se ter uma estimativa da energia a ser gerada, e que seja o mais próximo da real situação, a partir dos dejetos da estação de tratamento do município, para que se comprove a viabilidade e a real importância de se gerar energia elétrica através de resíduos sanitários.
Para realizar o estudo será necessário aplicar os dados obtidos em campo a métodos que dimensionem o potencial de biogás que pode ser produzido pela estação de tratamento de esgoto. Desta forma, é possível mensurar o potencial de energia elétrica que pode ser gerado pelo sistema.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
A seguir estão os objetivos específicos deste projeto no que diz respeito aos estudos necessários para implementação do mesmo:
Revisar a bibliografia em geração de energia elétrica através da Biomassa, especificando o funcionamento de uma estação de tratamento de esgoto, e desta forma demostrando possibilidades de captação e obtenção do biogás;
Revisar a bibliografia em relação ao aproveitamento energético do biogás, e as suas tecnologias de conversão.
Busca de informações e dados em campo, relacionados a estação de tratamento de esgoto do município de Ijuí;
Analisar a implementação do sistema de geração de energia proveniente da estação de tratamento de esgoto do município.
Apresentação de modelos matemáticos que apresentam a estimativa de biogás gerado pela estação de tratamento.
Este trabalho está dividido em nove capítulos. Após a introdução, o capitulo dois aborda questões sobre a geração de energia elétrica no Brasil, por sequencia se especifica mais a abordagem pela qual o trabalho retrata, explicando no capítulo três como e composta uma estação de tratamento de esgoto, já no capítulo quatro é abordado algumas formas de produção de biogás, e no capítulo seguinte é descrito os métodos de conversão do biogás.
Passando para a etapa final do projeto, no capítulo seis é relatada três metodologias para se calcular a geração de biogás, e no capítulo seguinte é defina a metodologia mais completa para se aplicar ao estudo, enfim no capítulo oito é descrito a conclusão, composta por sugestões ao curso, e trabalhos futuros, e por fim, no capitulo nove está descrito a relação de referências que compõem o projeto.
2 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL
Atualmente o Brasil tem como principal fonte geradora de energia as usinas hidrelétricas, porém estas usinas sofrem variações em sua capacidade de produção, pois dependem do volume de água que se encontra nos reservatórios das hidrelétricas. Existem possibilidades de expansão de usinas hidrelétricas no norte do país, porém só é possível através da tecnologia de usinas de fio d´água, o que significa que o armazenamento da água se mantém por um curto período de tempo (PAIVA et
al, 2017).
Apesar da matriz da energia elétrica no Brasil, ser historicamente concentrada na geração por meio de fonte hidráulica, a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2018) prevê mudanças no setor elétrico. O principal objetivo desta decisão é reduzir a relação da dependência existente entre o potencial de energia produzido e o nível pluviométrico que se encontra nas cabeceiras dos rios que abrigam estas usinas.
Segundo a ANEEL (2008) outro meio complicador para a implantação de Usinas Hidrelétricas, se dá pelo fato de envolver a exploração de um recurso natural que, pela Constituição, é considerado como bem da União. No caso das Usinas Térmicas, a autorização para construção se caracteriza como um ato administrativo, portanto é um procedimento relativamente simples.
2.1 FONTES DE ENERGIA RENOVAVEL
As fontes de energia utilizadas para geração de energia elétrica podem ser divididas em renováveis e não renováveis. As fontes de energia renováveis são consideradas inesgotáveis, e pelo fato de ter um impacto ambiental pequeno, se torna uma das premissas que levam preferível a sua utilização em relação a fontes de energia não renováveis.
Conforme REIS III (2003) no caso do Brasil, a maior parte de sua geração de energia tem origem de fontes de energia renováveis, sendo a geração hidrelétrica a grande fonte de energia no início do século XXI, o que deve permanecer por um longo tempo, graças ao grande potencial hídrico ainda disponível. São inúmeros os grandes
projetos de geração hidrelétrica, como o caso da usina de Itaipú, uma das maiores capacidades de geração do mundo.
Mediante este senário, buscando soluções futuras, nos últimos anos vem crescendo a execução de projetos que visam gerar energia através de fontes renováveis. As principais são as fontes de energia fotovoltaica, que vem se inserindo aos poucos no mercado através de residências e empresas particulares, já a energia eólica é específica de regiões onde a vento constante. Apesar de serem fontes de energias renováveis, já se tem preocupação do que fazer com painéis fotovoltaicos, e outras partes destes sistemas, quando sua vida útil acabar. Desta forma, busca-se compreender alguns destes tipos de energia renováveis, tais como a energia hidráulica, energia solar, energia eólica, energia das marés.
2.1.1 Energia Hidráulica
A energia hidráulica vem sendo utilizada desde a antiguidade, para gerar energia mecânica, nas instalações de moagem de grãos, por exemplo. Apenas no século XX esta energia passou a ser aplicada, em grande escala, como matéria prima para geração de eletricidade (ANEEL, 2008).
Na Figura 1 é possível especificar como é composta uma usina hidrelétrica, identificando as principais partes que a compõem.
Figura 1 – Esquema construtivo de uma usina hidrelétrica
Os maiores problemas que impedem a expansão das hidrelétricas do pais, e de natureza ambiental e judicial. Desta forma é necessário construir novas usinas com impacto socioambiental mínimo (ANEEL, 2008).
2.1.2 Energia Solar
A energia solar que passa pela atmosfera terrestre, se manifesta em forma de luz visível de raios infravermelhos e de raios ultravioletas. Podendo esta energia ser convertida em calor, e posteriormente ser transformada em eletricidade. Também é possível converte-la diretamente em eletricidade, através de painéis fotovoltaicos, sendo que estes também podem gerar eletricidade em dias nublados (ANEEL, 2008).
Os sistemas solares integrados à rede, através de painéis fotovoltaicos, que mais se aplicam a geração distribuída, são chamados de Grid-Tie, este sistema pode ser visualizado na Error! Reference source not found.. Estes sistemas possuem painéis fotovoltaicos, que são responsáveis pela geração da energia elétrica em corrente continua, que é convertida em corrente alternada através de inversores, e na sequência a energia é fornecida a rede elétrica (T&M Energia Solar, 2019). Em momentos que o sistema produz mais energia elétrica do que está sendo consumida, o excedente gerado pelo sistema será direcionado para a rede, assim gerando u m credito que pode ser usado em outro momento.
Figura 2 – Sistema de geração fotovoltaica
2.1.3 Energia Eólica
O vento é um fenômeno provocado pelo aquecimento desigual das superfícies da terra pelo sol, desta forma a energia eólica é uma forma de energia solar. As primeiras aplicações para o vento ocorram por volta de 200 AC, através de moinhos, já o uso do vendo para fins elétricos ocorreu no final do século XIX (EPE,2016). A geração da energia elétrica, através de sistemas eólicos pode ser visualizado na Figura 3.
Figura 3 - Turbina eolica para geração de energia
Segundo a EPE (2016) o Brasil apresenta um grande potencial de energia eólica, o que garante o crescimento desta fonte e assim cada vez mais ganhe espaço na matriz elétrica nacional. Porem a energia eólica é caracterizada como um recurso de baixa confiabilidade, pois depende da variabilidade e previsibilidade do vento. 2.1.4 Energia das Mares
Na Figura 4 é possível visualizar que a eletricidade pode ser obtida a partir da energia da energia cinética produzida pelo movimento das aguas ou pela energia derivada da diferença do nível do mar entre as marés alta e baixa.
Figura 4 – Geração de energia elétrica a partir das marés
Fonte: ANEEL (2008, p. 89)
Segundo a ANEEL (2008), os principais locais para o aproveitamento da marés são a Argentina, Austrália, Canadá, Índia, Coréia do Sul, México, Reino Unido, Estados Unidos e Rússia. No Brasil se tem um projeto piloto para geração de energia a partir das ondas no litoral do Ceara. A proposta é construir uma usina composta por 20 módulos, com capacidade de geração de 500 kW.
3 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS
A Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) vem adquirindo uma maior tecnologia nos seus processos, tornando mais viável a sua aplicação para obtenção de fontes de energias alternativas através do seu subproduto. A automação aplicada nas ETEs facilita o processo de descontaminação da água, provinda de resíduos sanitários, facilitando a operacionalidade do sistema, que por consequência acarretará em uma maior eficiência no processo.
Segundo (JORDÃO E PESSÔA, 2011) para se obter um total tratamento da água, eliminando todos as bactérias, e fazendo com que todos os subprodutos deste processo deixem de ser matérias contaminantes, é necessário realizar o procedimento correto em cada etapa do tratamento. As seguintes etapas relatadas abaixo descrevem o processo:
Remoção de Sólidos Grosseiros: é necessária devido ao uso inadequado de instalações prediais, dos coletores públicos e demais componentes de um sistema de esgoto sanitário, que é caracterizado por materiais que acabam incorporando na rede de esgoto, e que não necessitam deste tipo de tratamento. A remoção destes sólidos é realizada através de grades de barras, e tem a finalidade de condicionar os esgotos para posterior tratamento ou lançamento nos corpos de água, e também preservar a vida útil dos componentes da ETE.
Remoção de Areia: este resíduo indesejável, que também acaba fazendo parte da rede de esgoto, se deve a ligações inadequadas ou clandestinas das redes de tratamento, pela lavagem de pisos, despejos industriais ou comerciais, e infiltrações na rede coletora. É necessário a retirada destes materiais para evitar abrasão nos equipamentos e tubulações, e também para evitar a obstrução de tubulações, e outras partes da ETE.
Remoção de gorduras e sólidos flutuantes: podem ser caracterizados por gorduras e óleos vegetais de cozinha, e também por lubrificantes,
provindos de garagens, postos de serviço, e pequenos estabelecimentos industriais. estas substâncias, também denominadas de sólidos flutuantes, devem ser removidas para evitar problemas com o sistema de tratamento de esgoto, pois se presente em grandes proporções pode aderir as paredes de tubulações, ou até mesmo obstruí-las, provocando odores desagradáveis.
Remoção de sólidos sedimentáveis: consiste em separar sólidos por decantação, para retirá-los do processo. Existem diversas formas e métodos para realizar a sedimentação, que dependem da natureza das partículas, de sua concentração e das condições na unidade de sedimentação.
Tratamento primário Quimicamente Assistido: é caracterizado pela adição de reagentes ao esgoto com o objetivo de promover as coagulações químicas e a floculação, e acelerar a sedimentação. Este processo tem elevada eficiência na remoção de sólidos, substituindo processos de sedimentação convencionais.
Adensamento do lodo: consiste no aumento da concentração de sólidos no lodo, através da remoção de certa quantidade de água, assim diminuindo a umidade do lodo, fazendo com que os líquidos removidos retornem para o início do processo da ETE, e em casos específicos é lançado a montante do tratamento biológico. Consequentemente o adensamento reduz o volume do lodo, facilitando o processamento e destino final.
3.1 DIGESTO DO LODO
A remoção ou redução da matéria sólida, comumente chamada de lodo é indispensável no processo de tratamento da ETE, sendo capaz de permitir o manuseio e destino final, atendendo eficazmente os requisitos e normas de preservação ambiental. A redução dos sólidos ocorre através do processo de estabilização do lodo, através do fenômeno natural de mineralização da matéria orgânica, que em condições
normais ocorre em unidades projetadas para processar a matéria instável. Este processo tem como objetivo a conversão da matéria putrescível em líquidos, sólidos dissolvidos, subprodutos gasosos e alguma destruição de microrganismos patogênicos, bem como a redução dos sólidos secos do lodo (JORDÃO E PESSÔA, 2011). Em função da presença de oxigênio livre, este processo de tratamento bioquímico do lodo pode ser realizado através da digestão aeróbia e anaeróbica. 3.1.1 Digestão Aeróbia
No início da década de 50 foi realizado os primeiros estudos relacionados a digestão aeróbia, demonstrando a eficiência deste método, sendo igual ou superior ao da digestão anaeróbica, no que se refere a redução de resíduos voláteis contidos no lodo do esgoto. A digestão aeróbia caracteriza-se por ter seu processo biológico de destruição da matéria orgânica degradável na presença de oxigênio, tendo que satisfazer valores adequados de alimentação de ar, que vão depender do tipo de lodo que está sendo tratado (JORDÃO E PESSÔA, 2011).
3.1.2 Digestão Anaeróbica
Neste processo o lodo é conduzido para digestores, onde é decomposto anaeróbicamente, caracterizando o processo de digestão anaeróbica. O funcionamento destes digestores depende da capacidade das bactérias anaeróbicas estabilizarem as substâncias orgânicas presentes no lodo, este processo pode ser caracterizado em três estágios distintos: hidrólise, acidogênese, e metanogênese. Na hidrólise inicial dá-se uma solubilização de proteínas, celulose, lipídeos, e outras substâncias orgânicas complexas, para seguir-se então as fases de produção de ácidos e de digestão propriamente, com geração de metano (JORDÃO E PESSÔA, 2011).
Segundo (JORDÃO E PESSÔA, 2011) este processo biológico precisa ser controlado, para se obter um melhor aproveitamento, por isso a velocidade da digestão é fundamental, e depende do dimensionamento dos digestores, que pode ser afetada pelos seguintes fatores:
Inoculação: é a definição do processo de adição de lodo nos digestores, que varia conforme a quantidade de microrganismos presentes na digestão, possibilitando aumento da velocidade do processo.
pH: o pH ideal para digestão deve ser de 7,0 a 7,4, podendo ser corrigido através de substâncias específicas para variar o pH.
Homogeneização: a mistura do lodo contido no digestor permite que as operações de inoculação tenham maior rendimento.
Temperatura: a velocidade da digestão é diretamente proporcional a temperatura, sendo que em locais de temperaturas muito baixas é necessário um sistema de aquecimento no digestor, para diminuir o tempo de digestão.
Os itens citados acima não influenciam apenas na velocidade de digestão, mas também podem interferir no custo para realizar a decomposição do lodo. Desta maneira se reforça a importância do dimensionamento correto dos digestores, tentando prever da forma mais real, o tipo de lodo que estará presente em cada caso, para evitar o máximo possível de interferências operacionais no processo, para otimizar a digestão.
Como pode ser observado na Tabela 1, o investimento para implantação de um sistema de digestão anaeróbica é duas vezes maior que o custo (C) para um sistema de digestão aeróbia, porém o custo para operação de um sistema aeróbio é três vezes maior. Desta forma em projetos de grande volume (V), como de estações de tratamento municipais, tem como um dos principais motivos para implantação de sistemas de digestão anaeróbica, o fato de se ter um custo menor para operação do sistema, considerando que este processo é vitalício, apesar do custo com a implantação deste sistema ser maior, ocorre apenas na construção da ETE.
Também pode ser visualizado na Tabela 1, que a desidratação, que seria o lodo resultante do processo, é menor em processos anaeróbicos, considerado mais eficiente neste quesito. Segundo o (PROSAB 2 PAG.21), o lodo em processos anaeróbicos apresenta-se mais concentrado e com melhores características de desidratação.
Segundo (JORDÃO E PESSÔA, 2011) as condições econômicas da utilização do gás indicam a viabilidade do seu aproveitamento, sendo que cada vez mais vem sendo aprimorada as tecnologias para utilização do gás gerado na digestão anaeróbica, tornando cada vez mais viável a sua utilização.
Tabela 1 – Comparação entre digestão aeróbia e anaeróbica
Parâmetro Digestão aeróbia Digestão anaeróbica
Tempo de detenção 12-15 dias 20-60 dias
Volume V 2 a 4 V
Potência P/ agitação mecânica e
transferência de oxigênio Só para agitação mecânica
Odor Praticamente sem Na fermentação ácida
Sobrenadante (DBO) < 100 mg/l 500 – 1000 mg/l
Custo de implantação C 2 C
Custo de operação C 1/3 C
Produção de gás Não produz 20 – 30 l/hab.
Remoção de matéria volátil 40% 50%
Desidratação (leito de
secagem) 100 m²/1000 hab. 80 m²/1000 hab.
Fonte: Jordão e Pessôa (2011, p. 336).
3.2 BIOMASSA
A biomassa pode ser caracterizada por toda matéria orgânica que é transformada por alguma fonte de energia, podendo ser mecânica, térmica ou elétrica.
Esta fonte de energia renovável pode ser originada através de resíduos florestais, como madeira, ou a partir de sedimentos agrícolas, e também pode ser formado através de rejeitos urbanos e industriais, que podem ser sólidos, ou líquidos, como o esgoto sanitário.
O BEN (2017), mostra os principais segmentos do setor que fizeram a utilização da biomassa, conforme a Tabela 2, que relaciona o consumo final de biomassa entre os anos de 2007 á 2016. Como pode ser observado, apesar de no ano de 2016 o consumo final (dado em tep – tonelada equivalente de petróleo) ter sofrido uma pequena queda, em uma visão mais abrangente demonstra que nos últimos anos o consumo final de biomassa vem aumentando.
Tabela 2 – Composição Setorial do Consumo final de Biomassa
Setores 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Consumo Final Energético (10³ tep) 62.62 67.79 65.98 65.56 65.04 64.98 67.75 68.75 71.60 70.36 Setor Energético (%) 16,9 196 18,6 18,4 16,0 16,2 18,1 18,1 18,4 17,4 Residencial (%) 13,3 12,1 12,3 11,2 10,7 10,7 9,1 9,6 9,5 9,2 Agropecuário (%) 3,8 3,8 3,7 3,6 3,8 3,8 3,9 3,9 4,0 3,7 Transportes (%) 13,8 16,2 17,9 17,3 16,5 15,2 17,5 18,9 21,5 19,7 Industrial (%) 52,0 48,0 47,3 49,2 52,7 53,9 51,1 49,2 46,4 49,7 Ferro-Gusa e aço (%) 7,6 6,9 4,1 4,8 5,4 5,1 4,5 4,3 4,2 3,5 Alimentos e Bebidas (%) 28,8 25,6 27,6 28,1 29,5 31,0 28,8 26,7 24,7 28,0 Papel e Celulose (%) 9,4 9,2 10,0 10,3 11,0 10,7 11,0 11,4 11,7 12,7
O setor industrial é um dos que mais gera e consome energia através da biomassa, como pode ser visualizado na tabela 2, isso se deve as empresas sucroalcooleiros. Estas utilizam vapor em sua produção, que também é utilizado para geração de eletricidade. Como os resíduos da cana podem ser armazenados por alguns meses, a geração de eletricidade pode ser direcionada para períodos específicos. Diante desta situação se trata de um processo de cogeração, aproveitando-se a energia térmica para processos de produção e para geração de energia elétrica.
É possível verificar também na Tabela 2, que o setor energético também tem uma participação considerável, no consumo de biomassa, sendo composto por todo tipo de material ou combustível que possa gerar energia, provinda da biomassa. Segundo a ANEEL (2008), a partir da biomassa é possível obter energia elétrica e biocombustíveis, como o biodiesel e o etanol, que se encontram em um consumo crescente, tomando caminho para a substituição de derivados de petróleo como o óleo diesel e a gasolina. Outro combustível que é formado pela biomassa, e que tem uma grande perspectiva de crescimento é o biogás.
3.3 BIOGÁS
O biogás é caracterizado por uma mistura de gases, formados através da fermentação anaeróbica (sem a presença de oxigênio) da biomassa, que pode ser constituída por dejetos (urbanos, industriais e agropecuários) ou através de esgotos. Esta mistura de gases é constituída principalmente de metano, gás carbônico e outros gases em pequena concentração, porém o metano é o combustível deste gás, portanto quanto maior o seu teor, mais puro será o biogás, e maior será o seu poder calorífico. Segundo (JORDÃO E PESSÔA, 2011) o gás produzido nos digestores apresenta a seguinte composição aproximada:
Metano, CH4: 60 a 75%
Gás carbônico, CO2: 25 a 35%
Oxigênio, nitrogênio, hidrocarbonetos, gás sulfídrico, em quantidades menores.
Pelo fato do biogás ser constituído principalmente por metano, se torna ideal para utilização na geração de energia térmica e elétrica. Porém em muitos casos existem dejetos e esgotos, que se quer recebem o devido tratamento para descontaminação, liberando gases para atmosfera, principalmente o gás metano, que é um dos causadores do efeito estufa, uma forma de diminuir este problema seria a queima destes gases, sendo uma forma mais completa realizar a transformação em energia calorifica ou energia elétrica. Através da tabela 3, é possível ter conhecimento do real poder calorífico que a digestão dos gases podem ter, comparando com os gases comercias o biogás tem um poder calorífico menor, mas mesmo assim seu uso é vantajoso.
Tabela 3 – Poder Calorífico de Alguns Gases
Gás Poder Calorífico, KJ/m³ Propano comercial 45.800 Butano comercial 44.600 Gás natural 37.300 Metano 35.800 Gás da Digestão (considerando 65% de Metano 22.400
Fonte: Jordão e Pessôa (2011, p. 931).
Segundo a ANEEL (2009), em 2008 existiam três usinas termelétricas de pequeno porte movidas a biogás em operação. A primeira delas, localizada na cidade de São Paulo, dentro do aterro sanitário Bandeirantes, com capacidade instalada de
20 MW, inaugurada em 2003, na época era a maior usina a biogás do mundo. Em seguida tem a usina de São João localizada no aterro sanitário da cidade de São Paulo, com potência instalada de 24,6 MW, e a EnerBiog, com 30 kW de potência, na cidade de Barueri, próxima a capital São Paulo. Além destas, havia mais sete projetos outorgados, totalizando 109 kW.
Atualmente as tecnologias relacionadas a produção de energia elétrica através do biogás estão mais acessíveis, sendo uma área que está em constante desenvolvimento, atraindo projetos que vem sendo realizados. O último projeto de grande porte realizado no Brasil foi o da CS Bioenergia, que ano passado recebeu liberação do Instituto Ambiental do Paraná (IAP) para produzir energia através do biogás gerado pelo processo de biodigestor, que recebe o lodo de esgoto da estação de tratamento, e paralelamente recebe resíduos sólidos urbanos. Este projeto é um passo inicial para estimular outros estados a adotarem este tipo de energia, que apesar de ser algo consolidado em países como a Áustria e Alemanha, no Brasil é uma tecnologia relativamente nova.
4 FORMAS DE OBTENÇÃO DO BIOGÁS
A digestão anaeróbica é o processo mais conhecido para obtenção do biogás, que ocorre através de estruturas físicas denominada de biodigestores. Estes podem ser caracterizados como reatores, onde ocorre as reações químicas de origem biológica, produzindo o biogás, que pode ser queimado, ou usado em grupos co- geradores, para produzir energia térmica e elétrica, assim podendo utilizar a energia térmica para o aquecimento dos biodigestores, que não devem estar sujeitos a temperaturas baixas (GALLINA, 2013).
Os biodigestores podem ser de vários modelos e tamanhos, e na escolha deste deve ser levado em consideração diversos aspectos, tornando o projeto o mais eficiente possível. Estes reatores podem ser divididos em 2 tipos: os de fluxo hidráulico descontínuo (biodigestor de batelada), onde a biomassa é colocada no biodigestor, e retirada após a produção do biogás; e o outro grupo pertence aos biodigestores com fluxo hidráulico contínuo, onde constantemente está entrando biomassa e produzindo biogás. Neste último grupo está a maioria dos biodigestores encontrados no Brasil, onde os mais comuns são o indiano, chinês, tubular e o UASB/RALF (ZILOTTI, 2012). 4.1 BIODIGESTOR MODELO INDIANO
Este biodigestor caracteriza-se por ter sua parte superior em forma de sino, usada como gasômetro, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmeras. A função desta parede divisória é fazer com que o material circule por todo o interior da câmera de fermentação. O modelo indiano mantém a pressão de operação constante, pois quando o volume de gás não é consumido, o gasômetro tende a deslocarem-se verticalmente, aumentando o volume e mantendo a pressão constante, este modelo pode ser melhor compreendido observando-se a Figura 1.
Figura 5 – Biodigestor modelo Indiano
Fonte: Pecora (2006, p. 35 apud BENINCASA et al, 1990)
O resíduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração de sólidos não superiores a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material. Este biodigestor é utilizado em sistemas onde se tem um abastecimento contínuo de dejetos.
Segundo (ZILOTTI, 2012) o biodigestor indiano, foi desenvolvido na Índia, a partir de 1937, e o seu modelo mais conhecido, é o de cúpula móvel, lançado por Patel, em 1950. Foi um dos primeiros biodigestores de alimentação contínua a ser amplamente divulgado no ocidente. Foi o modelo que popularizou a produção de biogás, inclusive no Brasil.
4.2 BIODIGESTOR MODELO CHINÊS
Diferente do biodigestor indiano, esse tipo de biodigestor não apresenta partes móveis. É formado por uma única câmara que, por sua vez, é formada por uma única peça. Também é construído abaixo do nível do solo. Trabalha com elevadas pressões por isso sua construção é realizada de alvenaria ou concreto (Figura 2). Com o aumento da produção de gás, a pressão aumenta e força o deslocamento do resíduo no interior do biodigestor para a saída, e em sentido contrário, quando a produção de gás é baixa.
Figura 6 – Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chinês.
Fonte: Pecora (2006, p. 38 apud BENINCASA et al, 1990)
Segundo (PECORA, 2006) apesar de ter custos de instalação menores que o modelo indiano, neste tipo de biodigestor uma parcela do gás formado na caixa de saída é liberada para a atmosfera, por isso este modelo é usado apenas para projetos de pequeno porte. Conforme (BONTURI e DIJK, 2012) os modelos Chinês e Indiano, apresentam desempenho semelhantes, apesar de o modelo Indiano ter apresentado em determinados experimentos, maior eficiência quanto a produção de biogás e redução de sólidos no substrato.
4.3 BIODIGESTOR MODELO RAFA
O biodigestor modelo RAFA (Reator Anaeróbico de Fluxo Ascendente), cuja sigla original é UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket), é um biodigestor com retenção interna de lodo, com a incorporação de um separador diferente para os sólidos suspensos e para o gás, o que de certa forma revolucionou a área de tratamento de efluentes, que passou a oferecer muitas vantagens que até então não se tinha, como baixo custo operacional, baixo consumo de energia, maior estabilidade do processo, entre outras (JORDÃO E PESSÔA, 2011).
O biodigestor modelo RAFA (Figura 7) baseia-se no fluxo ascendente do efluente a ser tratado, o qual é alimentado pelo fundo do reator e atravessa um leito de biomassa ativa, sendo descartado ao passar por um sistema de placas defletoras coletadas no topo do biodigestor, separando as fases líquida, s ólida e gasosa. O decantador interno permite que as partículas de lodo retornem à zona de digestão, assegurando o tempo de retenção adequada de sólidos e a obtenção de altas concentrações de lodo anaeróbico no biodigestor.
Figura 7 – Representação esquemática de um UASB.
Este tipo de biodigestor vem sendo empregado para o tratamento de esgoto doméstico. Demonstra eficiência para esgoto bruto, tanto a temperaturas controladas, quanto sem controle de temperaturas, sendo um resultado satisfatório para regiões onde se tem um elevado gradiente de temperatura (JORDÃO E PESSÔA, 2011).
As diversas características favoráveis deste sistema, como o baixo custo, simplicidade operacional e baixa produção de sólidos, aliados às condições ambientais no Brasil, onde há a predominância de elevadas temperaturas, tem contribuído para a colocação dos sistemas anaeróbios de tratamento de esgotos em posição de destaque, particularmente os reatores de manta de lodo (reatores UASB) (PROSAB 2 PAG. 20).
5 TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS PARA CONVERSÃO DO BIOGÁS
Atualmente existe diversas tecnologias para aplicar na conversão energética do biogás, que consiste em transformar a energia química das suas moléculas em energia mecânica, através de um processo de combustão controlada, que ativa um gerador, convertendo energia mecânica em energia elétrica. A queima direta do biogás em caldeiras é bastante utilizada em processos de cogeração, onde se tem indústrias que utilizam o vapor em processos de produção, e o excedente gerado se transforma em energia elétrica.
A conversão do biogás é realizada através de motores primários, dos quais os tipos mais comuns são os motores de combustão, turbinas a gás, microturbina e células a combustível. Para saber qual tecnologia usar para conversão do biogás é necessário saber qual a potência que o sistema pode gerar, pois como pode se observar na tabela 4, cada tecnologia de conversão é utilizada para faixas de potências especificas, apresentando diferentes eficiências elétricas para cada situação.
Tabela 4 – Aproveitamento de Energia Elétrica.
Tecnologia Faixa de potência, kW Eficiência Elétrica, %
Motor a combustão 100 – 4000 30 – 42
Turbina a gás 1000 – 4600 25 – 38
Microturbina 70 – 250 24 - 26
Célula a combustível 200 – 300 38 – 42
5.1 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
Os motores de combustão interna transformam a energia térmica de um combustível liquido ou gasoso em energia mecânica. São divididos em 2 tipos: Otto e diesel, sendo os motores do tipo Otto (figura 4) uma das tecnologias mais utilizadas para a produção de energia elétrica proveniente do biogás, pois são motores geralmente projetados para funcionar a gasolina, sendo mais susceptíveis ao gás sulfídrico (parte da composição do biogás) do que o sistema a diesel.
Figura 8 – Grupo gerador-motor ciclo otto.
Fonte: Pecora (2006, p. 38 apud BENINCASA et al, 1990)
Em 1867 o engenheiro alemão Nikolaus August Otto desenvolveu o chamado ciclo Otto de quatro tempos (Figura 9). Conforme (PECORA, 2006) na 1ª etapa ocorre a abertura da válvula de admissão através da qual é injetada no cilindro a mistura ar-combustível e assim, o pistão é empurrado para baixo com o movimento do virabrequim. Após ocorre a 2ª etapa, onde acontece o fechamento da válvula de admissão e compressão da mistura, conforme o pistão sobe a vela gera uma faísca. Na 3ª etapa se dá a explosão da mistura e expansão dos gases quentes formados na
explosão, esta expansão promove uma força que faz com que o pistão desça. E por fim ocorre abertura da válvula de escape através do qual os gases são expulsos pelo pistão.
Figura 9 – Desenho esquemático das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto.
Fonte: Pecora (2006, p. 47 apud BERTULANI, 2002)
Em 1892, o engenheiro alemão chamado Rudolph Diesel criava o motor a diesel. Este é projetado para ter um porte maior que os motores a gasolina, utilizando óleo como combustível, geralmente são utilizados em máquinas pesadas. A
Figura 10 representa esquematicamente o seu funcionamento, que é similar ao funcionamento do motor Otto, porém não necessita de faísca para ocorrer a combustão, apenas a compressão do ar com o combustível é suficiente.
Figura 10 – Representação esquemática do funcionamento de um motor diesel.
Os motores Otto são equipamentos utilizados tanto em projetos de pequeno porte, quanto de grande porte, pois conforme aumenta a geração de gases é possível colocar novas unidades em funcionamento. Os motores de combustão interna apresentam uma alta durabilidade, pois se trata de um equipamento robusto, porém necessita de manutenções periódicas, o que acaba elevando custos.
5.2 TURBINA A GÁS
A principal característica deste equipamento é a produção de gás de exaustão em grandes volumes e a temperaturas elevadas, o que o torna adequado para o aproveitamento energético, podendo ser usado em sistemas de cogeração. Geralmente as turbinas a gás (figura 7) são formadas por três componentes principais: o compressor de ar, uma câmera de combustão e a turbina.
Figura 11 – Detalhes construtivos de uma turbina.
O funcionamento ocorre inicialmente através do ar que é comprimido pelo compressor, elevando a pressão, em seguida é misturado ao combustível na câmera de combustão. Essa mistura é queimada constantemente, aumentando a temperatura dos gases, formando a energia primária do sistema. Os gases resultantes desta combustão são liberados para turbina, transformando a energia térmica em mecânica, girando o eixo da turbina, onde parte desta energia é utilizada para acionar o compressor da turbina (COSTA, 2006).
Estas turbinas necessitam de pouco tempo de parada, e ao se encontrarem neste estado necessitam de poucos minutos para entrarem em regime de trabalho, tendo como vantagem ocupar um espaço menor em relação as outras formas de energia, também é possível melhorar o seu rendimento ao utilizar os gases da exaustão. A desvantagem deste sistema é de necessitar grandes quantidades de gás para o seu funcionamento, se tornando viável apenas para ETEs de médio e grande porte.
5.3 MICROTURBINAS
As microturbinas ainda são pouco utilizadas na conversão de energia elétrica, porém vem sendo utilizadas com êxito para o aproveitamento do biogás. O funcionamento destas turbinas é praticamente igual ao das turbinas a gás de grande porte, geralmente dimensionada para projetos de pequeno porte. Na Figura 12, é possível observar um conjunto de 5 microturbinas, sendo o modelo C1000S da marca Capstone.
Figura 12 – Microturbina Capstone.
Fonte: (Capstone, 2019).
A principal vantagem de usar este tipo de tecnologia é em relação a flexibilidade para aumentos futuros de demanda. Este sistema é usado a partir de cargas de 70 kW, podendo ser ampliado aumentando o número de turbinas, obtendo o potencial ideal de conversão do biogás. Este sistema tem outros aspectos favoráveis , como os níveis reduzidos de perda térmica para o ambiente, facilidade operacional, e baixo índice de manutenção.
6 METODOLOGIA
6.1 MODELOS MATEMÁTICOS PARA O CÁLCULO DA GERAÇÃO DO BIOGÁS Neste trabalho serão apresentadas três metodologias para calcular a geração de biogás, que podem ser desenvolvidas através da obtenção de dados do sistema de digestão anaeróbica, sendo assim aplicados a fórmulas matemáticas. Os métodos descritos são em relação a estimativa de carga de Demanda Química de Oxigênio (DQO), e o outro método é recomendado pelo IPCC – Painel Governamental sobre Mudanças Climáticas (Intergovernmental Panel on Climate Change), e por fim o método estabelecido pela convenção Quadro das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima, tendo sua sigla em inglês como UNFCCC (United Nations Framework
Convention on Climate Change).
6.1.1 Metodologia a Partir da Estimativa da Carga de DQO
Segundo (CHERNICHARO, 2007) a avaliação da produção de biogás pode ser realizada através da estimativa da carga de DQO afluente ao reator, que pode ser considerado como a quantidade de oxigênio necessário para oxidar todos os compostos quimicamente que estão entrando no reator. Inicialmente é necessário saber qual a eficiência do reator através da equação (6.1) e (6.2), obtida através das curvas de eficiência, que se originaram de reatores em funcionamento. A equação (6.1) demostra a eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DQO.
𝐸𝐷𝑄𝑂 = 100 ∗ (1 − 0,68 ∗ 𝑡−0,35) (6.1)
Na qual:
EDQO: eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DQO (%);
t: tempo de detenção hidráulica (horas); 0,68: constante empírica;
0,35: constante empírica.
A equação (6.2) representa a eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio), sendo esta caracterizada como a
quantidade de oxigênio necessária para ocorrer a oxidação da matéria orgânica biodegradável.
𝐸𝐷𝐵𝑂= 100 ∗ (1 − 0,70 ∗ 𝑡−0,50)
(6.2) Na qual:
EDBO: eficiência do reator UASB, em termos de remoção de DBO (%);
t: tempo de detenção hidráulica (horas); 0,70: constante empírica;
0,50: constante empírica.
A partir da eficiência esperada para o sistema, pode-se estimar a concentração de DQO e de DBO no afluente final, através da equação (6.3).
𝑆 = 𝑆0− 𝐸 ∗ 𝑆0
100 (6.3)
Na qual:
S: concentração de DQO ou de DBO efluente (mg/L); S0: concentração de DQO ou de DBO afluente (mg/L);
E: eficiência de remoção de DQO ou de DBO (%).
Ao obter todas as informações necessárias é possível realizar a determinação da parcela de DQO convertida em gás metano, que pode ser feita através da equação (6.4).
𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4 = 𝑄 ∗ (𝑆0− 𝑆) − 𝑌𝑜𝑏𝑠 ∗ 𝑄 ∗ 𝑆0 (6.4)
Na qual:
DQOCH4: carga de DQO convertida em metano (kgDQOCH4/d);
Q: vazão de esgoto afluente (m3/d);
Yobs: coeficiente de produção de sólidos no sistema, em termos de DQO (0,11
A conversão de massa de metano (KgDQOCH4 /d) em produção volumétrica
(m3CH
4/d) pode ser feita através da equação (6.5).
𝑄𝐶𝐻4 =
𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4
𝑓(𝑇) (6.5)
Na qual:
QCH4: produção volumétrica de metano (m3/d);
f(T): fator de correção para a temperatura operacional do reator (KgDQO/m3),
obtido através da equação (6.6).
𝑓(𝑇) = 𝑃 ∗ 𝐾𝐷𝑄𝑂
𝑅 ∗ (273 + 𝑇) (6.6)
Na qual:
P: pressão atmosférica (1 atm);
KDQO: DQO correspondente a um mol de CH4 (64 gDQO/mol);
R: constante dos gases (0,08206 atm.L/mol.K); T: temperatura operacional do reator (°C).
Após obter a produção volumétrica de metano é possível estimar a produção total de biogás, a partir do teor esperado de metano, que pode ser calculado através da equação (6.7). Para o caso do tratamento de esgotos domésticos, os teores de metano no biogás são geralmente da ordem de 70 a 80%.
𝑄𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠=
𝑄𝐶𝐻4
𝐶𝐶𝐻4 (6.7)
No qual:
Qbiogás: produção volumétrica de biogás (m3/d);
QCH4: produção volumétrica de metano (m3/d);
6.1.2 Metodologia IPCC
A estimativa de geração de metano pelo tratamento anaeróbio de efluentes pode ser calculada através da metodologia recomendada pelo IPCC, porém cada país ou grupo de países deve desenvolver diferentes experiências, de acordo com a disponibilidade dos dados exigidos por este método. O IPCC usa a equação (6.8) para estimativa de geração de metano pelos efluentes domésticos, e a equação (6.9) para a estimativa de geração de metano pelos efluentes industriais.
𝐸 = 𝑃𝑜𝑝𝑢𝑟𝑏 ∗ 𝑡𝑎𝑥𝑎𝐵𝑂𝐷5∗ 𝐹𝐸𝑇 ∗ 𝐹𝐶𝑀 ∗ 𝑀𝐹𝐸𝑀 − 𝑅 (6.8)
𝐸 = 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛𝑑∗ 𝐹𝐸𝐶 𝑜𝑟𝑔∗ 𝐹𝐸𝑇 ∗ 𝐹𝐶𝑀 ∗ 𝑀𝐹𝐸𝑀 − 𝑅 (6.9)
No qual:
E: Emissão de metano (GgCH4/ano);
Popurb: População urbana do país (habitantes);
taxaBOD5: Taxa unitária de geração de Demanda Bioquímica de Oxigênio (no Brasil é de 18.250 BOD5/habitantes*ano);
FET: Fração de esgotos tratada (entre 10% e 20%); FCM: Fator de correção de metano (entre 80% e 90%); MFEM: Máximo fator de emissão de metano (25%); R: Quantidade de metano recuperado (0GgCH4/ano);
Prodind: Produção industrial (unidades de produção);
Fecorg: Fator de emissão de carga orgânica por quantidade de produto (BOD5/
unidade de produção).
6.1.3 Estimativa de Produção de biogás segundo metodologia do UNFCCC (2012)
Esta equação (6.10) é baseada na que foi proposta em IPCC (2006), sendo que este método foi estabelecido pela convenção – Quadro das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima (UNFCCC, 2012).
𝑃𝐶𝐻4 = 𝑄 ∗ 𝑆0∗ 𝑛𝐷𝑄𝑂∗ 𝐹𝑃𝐶𝐻4∗ 𝐹𝐶𝑀 ∗ 𝐹𝐶𝐼 (6.10)
No qual:
PCH4: Vazão em massa de metano (Kg/m3); Q: Vazão de esgoto afluente (m3/dia);
S0: Concentração de DQO afluente (KgDQO/m3);
n: Eficiência de remoção de DQO; FPCH4: Fator de produção do metano;
FCM: Fator de correção do metano quanto ao tipo de tratamento; FCI: Fator de correção devido às incertezas.
Para os valores de FPCH4 e o FCI, foram utilizados os valores recomendados em IPCC (2006). Portanto, adotou-se que FPCH4 é 0,25 KgCH4/ KgDQO e que FCI vale O,89. Este método, recomenda para reatores anaeróbios tipo UASB, um fator de correção (FCM) de 0,8.
A partir dos valores pré-definidos a metodologia do IPCC pode ser aplicada a qualquer processo, desde que sejam avaliados FET, FCM, MFEM e FECorg. Porém a
redução na incerteza de estimativa é obtida se forem consideradas as particularidades de cada sistema anaeróbio estudado. O método da estimativa da carga de DQO é um sistema especifico, aplicado a reatores UASB, podendo trazer valores mais próximos da prática.
Já (Jordão e Pessôa, 2011, p. 841) afirmam que: “Tipicamente a produção de gás nas unidades UASB pode situar-se na faixa de 5 a 20 l/hab.d, dos quais o metano pode representar algo em torno de 50 a 70%.”. Na falta de informações para realizar cálculos a partir de métodos mais precisos, é possível dimensionar um sistema com as informações de Jordão e Pessôa.
7 ESTUDO DE CASO
7.1 DESCRIÇÃO DO MUNICÍPIO
A metodologia a ser desenvolvida no trabalho se refere ao estudo de caso aplicado na cidade de Ijuí-RS (Figura 13). O município se localiza na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, há aproximadamente 395 Km da capital Porto Alegre, e tem como municípios vizinhos: Ajuricaba, Augusto Pestana, Boa Vista do Cadeado, Bozano,Catuípe, Chiapetta, Coronel Barros, Cruz Alta, Nova Ramada, Panambi, e Pejuçara.
Figura 13 – Localização do município de Ijuí
Fonte: Google Earth Adaptado, 2019.
Segundo dados do IBGE, o município de Ijuí ultrapassa 83 mil habitantes, sendo o município mais populoso da região Noroeste do Estado, com uma densidade populacional de 114,51 hab./Km², distribuídos em uma área territorial de 689,387 Km².
Ijuí possui clima subtropical úmido, com quatro estações distintas. No verão as temperaturas se elevam, variando entre 18 e 40ºC, aproximando-se do clima continental, porém no inverno as temperaturas despencam, variando entre 0 e 18ºC; estas variações de temperatura formam um gradiente durante o ano de 40ºC. As chuvas se distribuem durante o ano, sendo que no verão predominam as convencionais, já no inverno ocorre as chuvas frontais, com bastante uniformidade. 7.2 SISTEMA DE TRATAMENTO DO ESGOTO NO MUNICÍPIO
Atualmente a cidade de Ijuí realiza o tratamento do esgoto através de um sistema de esgotamento sanitário, denominado “ETE FONTES DO POTIRIBU”, localizada no encontro da Rua Marcos Valter com a Rua 13 de maio, administrada e gerida pela Companhia Rio grandense de Saneamento (CORSAN). A ETE é composta por:
Gradeamento: Local de entrada do Afluente (Figura 14). Tendo como principal função retirar objetos que não necessitam deste tipo de tratamento, como plásticos, madeira, entre outros objetos que incorporam na rede de esgoto.
Desarenador: Serve para retirar resíduos de areia, que incorporam na rede de esgoto, para evitar a abrasão dos componentes da ETE.
Reator UASB: Significa Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente e Manta de Lodo. Apesar da ETE denominar este sistema de reator UASB, nas bibliografias encontradas, estes reatores têm outras características físicas, sendo que o modelo que atualmente está funcionando na ETE de Ijuí caracteriza-se como uma Lagoa anaeróbica.
Figura 14 – Entrada do Afluente
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
3 filtros biológicos aeróbicos: É por onde o efluente passa antes de ir para os banhados, para garantir que apenas o efluente líquido prossiga no processo, filtrando resíduos de lodo para que não cheguem até os banhados (Figura 15).
Figura 15 – Filtro Biológico
2 banhados construídos: são duas caixas de concreto, isoladas do solo, cheias de pedra brita, onde o efluente passa antes de ser despejado no Rio Potiribu (Figura 16).
Figura 16 – Banhado
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
5 leitos de secagem: É o local onde é depositado o lodo, que após seco, se estiver em condições químicas adequadas, pode ser utilizado como biofertilizante (Figura 17).
Figura 17 – Leitos de Secagem
