9º GEAR - Biogas

BIOGÁS COMO FONTE ALTERNATIVA DE RENDA

Produção do biogás

Vantagens de seu aproveitamento energético

Professor André Pereira Rosa

Engenheiro Ambiental - UFV

Dr. Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos – UFMG

Professor Adjunto do curso de Engenharia Agrícola e Ambiental - UFV

Pelo aproveitamento de dejetos (domésticos e rurais) que são ricos em

moléculas orgânicas, estas ao serem quebradas por bactérias anaeróbias

em biodigestores, produzem principalmente CH4, CO2 e H2O no final do

processo de fermentação.

COMO É OBTIDO

Avicultura

Cama de frango, distribuída sobre o piso dos galpões de criação para servir de leito

às aves de corte.

Retirada de forma periódica.

Bovinocultura

Dejetos bovinos (fezes) devem ser recolhidos e diluídos em água.

Suinocultura

Dejetos suínos (fezes e urina) devem ser diluídos em água com a lavagem dos

galpões de criação.

SUBTRATOS AGRÍCOLAS

Vinhaça

Resíduos Sólidos Urbanos

Biomassa: Palha, milho, etc

Efluentes líquidos domésticos

DEMAIS SUBTRATOS

Valores aproximados da produção total e percentagem de sólidos totais dos excrementos

(fezes e urina) produzidos por algumas espécies pecuárias


Estimativa das quantidades de águas de lavagem ou de outra proveniência que são

recolhidas conjuntamente com os excrementos gerados por algumas espécies pecuárias


Quantidades médias de material de camas utilizadas por animal estabulado

Para converter peso em volume, dever-se-ão considerar as densidades dos materiais utilizados


Biodigestor Alimentação do biodigestor

Gado

DIGESTÃO ANAERÓBIA

Preparo de alimentos

Biodigestor

DIGESTÃO ANAERÓBIA

Biogás

Composição de metano determina o interesse na recuperação energética.

O biogás de reatores UASB apresenta uma composição de metano de 70 a 80%,

nitrogênio de 10 a 25%, e dióxido de carbono de 5 a 10% (Noyola et al.,2006).

Crescente uso do biogás em ETEs, áreas agrícola e industriais, para geração de

eletricidade e calor.

Realidade brasileira: queima direta

CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS

ALTERNATIVAS DE APROVEITAMENTO DO BIOGÁS




Alternativas de aproveitamento e recuperação do biogás

Queima do biogás para geração de calor (secagem térmica do lodo, trocador

de calor)

Conversão à eletricidade

Uso do biogás como combustível veicular

CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS

Quanto ao tipo de alimentação

Batelada

Contínuo

Chinês (vertical)

Indiano (Vertical)

Canadense (Horizontal)

BIODIGESTORES

Vantagens

Menor custo de aquisição

Operam em diferentes regimes (Emergência, Principal, Contínuo)

Possibilita a adaptação de motores automotivos convencionais

Facilidade dos serviços de manutenção

Maior eficiência em relação a outras tecnologias (30%-40%)

Diferentes escalas de geração de energia elétrica (4KW – 1MW*)

Produção nacional

Desvantagens

Maiores emissões de gases com NOx

Ruídos do motor

Necessidade de óleos, lubrificantes e sistema de refrigeração

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE - MOTOGERADORES

Vantagens

Emissões de gases muito baixas

Mínima manutenção, Silencioso

Sem óleos, lubrificantes ou gases refrigerantes

Desvantagens

Custo elevado (importado)

Alto investimento

Eficiência 24% a 28%

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE - MICROTURBINAS

Coleta de biogás de um digestor anaeróbio

Enriquecimento do biogás e compressão

Aplicação em carros após ajustes no motor

Fonte anaeróbia Enriquecimento Compressão

Veículo

USO DO BIOGÁS EM VEÍCULOS

O Metano (CH4) com alto poder combustível é resultante do Biogás filtrado, que

em termos de combustível automotivo se comporta como o GNV

Necessidade da retirada do gás carbônico e do H2S

Resolução ANP Nº 8 DE 30/01/2015

Metano - Mínimo de 96,5% molar

Gás Sulfídrico (H2S) – Máximo de 10 mg/m³

CO2 - Máximo de 3,0 % molar

USO DO BIOGÁS EM VEÍCULOS

Aquecimento

Campânulas Convencionais

ENERGIA TÉRMICA DO BIOGÁS

Aquecimento

Aquecedores a gás tipo infravermelho

ENERGIA TÉRMICA DO BIOGÁS

CORROSÃO X PURIFICAÇÃO

• Lavagem com água

CORROSÃO X PURIFICAÇÃO

ETE de Iraklio (Grécia)

Produção média de energia a partir do

biogás foi de 15,9% (1582 kWh.d-1) da

demanda da ETE.

Uso da capacidade plena dos

geradores: 64,6%

Figura 5: Fluxograma do aproveitamento do biogás e lodo na ETE de Iraklio,

Grécia. Fonte: Adaptado de Tsagarakis (2007)

Experiências de aproveitamento de biogás em ETEs

ETE Arrudas (Brasil)

Produção média mensal de 461.000

N.m-3 de biogás, com composição de 67%

de CH4 e 30% de CO2. Poder calorífico de

24.800 kJ.m-3 .

Uso de 5 turbinas com geração de

160kW.h-1.

Calor dos gases de escape usados no

aquecimento do lodo.

Figura 6: Esquema do sistema de cogeração da ETE Arrudas, na cidade de

Belo Horizonte. Fonte: COPASA (2012)


ETE Valorhin, Estrasburgo (França)


ETE Valorhin, Estrasburgo (França)

Forno de incineração para lodo e biogás

da ETE Valorhin, Estrasburgo.

Detalhe dos pontos de alimentação de

lodo e biogás no forno da ETE Valorhin,

Estrasburgo.


ETE Rincón de León, Alicante (Espanha)


ETE Rincón de León, Alicante (Espanha)

Biodigestor Caldeira

Motor de combustão interna Gasômetro


ETE Pinedo 1, Valencia (Espanha)


ETE Pinedo 2, Valencia (Espanha)


Para uma suinocultura com 1.300 matrizes (2,5 kg/dia de dejetos por animal),

4.900 em terminação (2,25 kg/dia) e 8.400 na creche (2 kg/dia), determine

qual o potencial de geração de eletricidade para o local, sabendo-se que o

consumo de eletricidade é da ordem de 30 mil reais mês (R$ 0,32/kwh).

Exemplo prático

34

1. Cálculo da carga orgânica gerada no empreendimento

d

kg

d

kganimaisCO 250.35,2300.11

d

kg

d

kganimaisCO 025.1125,2900.42

d

kg

d

kganimaisCO 800.1600,2400.83

d

kgTOTAL 075.31

35

2. Dimensionamento do volume do biodigestor (considerando-se

TDH de 21 d, relação de diluição de 1:4 e massa específica de 1.040

kg/m3)

d

m

mkg

dkgQ rbiodigesto

3

36,1164

/040.1

/075.31

d

kgTOTAL 075.31

Biodigestor d

m3

6,116

dTDH

mVolumeQ rbiodigesto

3

6,448.23 mVolume

36

3. Estimativa da geração de biogás

d

m

kg

m

d

kgodução

biogásbiogás

biogás

33

75,796.209,0

075.31Pr

4. Estimativa da geração de metano

Em que:

Qbiogás = produção volumétrica de biogás (m3/d)

QCH4 = produção volumétrica de metano (m3/d)

CCH4 = concentração de metano no biogás (70 a

80%)

4

4

CH

CH

biogásC

QQ

75,075,796.2 4

3CHbiogás Q

d

m

d

mQ

ome

CH

tan3

4 6,097.2

37

5. Potencial de energia a partir do metano

d

MJ

m

MJ

d

mP

ome

ome

CH 302.759,356,097.2tan

3

tan3

4

6. Geração de eletricidade com o uso de um motor de combustão

interna (adotado η de 30%)

d

MJ302.75

d

kWh

d

MJ275.6590.22

1kWh = 3,6 MJ

38

7. Estimativa da demanda energética da suinocultura

diadia horaskWPotênciakWhconsumo

d

kWh

mês

kWh

R

kWh

mês

Rconsumodia 125.3750.93

32,0$1

000.30$

Conta de luz

8. Potência necessária do gerador para suprir a demanda

hkWPotênciad

kWh22125.3

diadia horaskWPotênciakWhconsumo

kWPotência 142

39

9. Suprimento de eletricidade para a suinocultura a partir do biogás

d

kWhodução 275.6Pr

d

kWhConsumo 125.3

Suprimento de mais de 2x a demanda

40

10. Produção de biogás

A avaliação da produção de biogás é feita a partir da estimativa da

carga de DQO afluente ao reator, que é convertida em gás metano.

oobsoCH SQYSSQDQO 4

Em que:

DQOCH4: carga de DQO convertida em metano (kgDQOCH4.d-1);

Q: vazão de esgoto afluente (m3.d-1);

So: concentração de DQO afluente (kgDQO.m-3);

S: concentração de DQO efluente (kgDQO.m-3);

Yobs: coeficiente de produção de sólidos, em termos de DQO (0,11 a 0,23 kgDQOlodo.kgDQOapl-1);

41


Em que:


DQOCH4 = carga de DQO removida no reator e

convertida em metano (kgDQOCH4.d-1);

f(T) = fator de correção para a temperatura

operacional do reator (kgDQO/m3)

TR

KPTf

DQO

273

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 (ºC)

Tf

DQOQ

CH

CH4

4

42


Em que:

Qbiogás = produção volumétrica de biogás (m3/d)


CCH4 = concentração de metano no biogás (70 a

80%)

4

4

CH

CH

biogásC

QQ

Com a produção teórica de metano, a produção total de biogás pode ser

estimada por:

43

Referência Bibliográfica recomendada

Capítulo 5 – Projeto de reatores anaeróbios. Livro de Reatores Anaeróbios.

Princípios do tratamento biológico de águas resíduárias. Autor: Carlos Augusto

de Lemos Chernicharo. 2º edição. 2007. Páginas 197 a 269.

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