SEWAGE BIOGAS CONVERTION INTO ELETRICITY

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1 SEWAGE BIOGAS CONVERTION INTO ELETRICITY Profa. Dra. Suani Teixeira Coelho 1 suani@iee.usp.br Msc. Sílvia Maria Stortini González Velázquez 1 sgvelaz@iee.usp.br Dr. Osvaldo Stella Martins 1 omartins@iee.usp.br Eng. Fernando Castro de Abreu 1 fcabreu@iee.usp.br 1 USP/IEE/ CENBIO Universidade de São Paulo; Instituto de Eletrotécnica e Energia; Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP São Paulo SP Brasil. Fone: Fax: Resumo: Este artigo apresenta o projeto ENERG-BIOG, geração de eletricidade com microturbinas de 30 kw (ISO), utilizando biogás gerado no processo de tratamento de esgotos da Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) da SABESP (Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo), em Barueri, no Brasil. É um projeto pioneiro na América Latina, sendo realizado em conjunto com o Biomass Users Network do Brasil BUN (proponente), em parceria com o Centro Nacional de Referência em Biomassa CENBIO (executor), com o apoio da FINEP / CT-ENERG (financiador), mediante o CONVÊNIO No: , referente ao Projeto ENERG-BIOG Instalação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto. A planta da SABESP de Barueri trabalha com o processo de digestão anaeróbica, tendo como principais produtos o biogás (composto principalmente de metano) e o lodo. O metano é o combustível utilizado para a geração de energia, que atualmente é queimando parte caldeira e o restante em flare, para reduzir os impactos das emissões dos gases. O objetivo principal é desenvolver a utilização do biogás do tratamento de esgoto para gerar eletricidade, no Brasil. O primeiro estado a ser analisado será São Paulo. Assim, a contribuição desse artigo estará na apresentação dos resultados do projeto. Abstract: Palavras-Chaves: Microturbina, Biogás, Geração de energia. This article intend to present some considerations directed to electricity generation with small systems (microturbine and conventional engines ), using biogas generated by sewage treatment process in SABESP (Basic Sanitation Company of São Paulo State), located at Barueri, Brazil. This project, pioneer in Latin America, is being accomplished together with BUN Biomass Users Network of Brazil (proponent), in association with CENBIO Biomass Reference National Center (executer), with patronage of FINEP / CT-ENERG (financial backer), by means of CONVENTION No: , regarding to ENERG-

2 BIOG Project Instalation and Tests of an Eletric Energy Generation Demonstration Unit from Biogas Sewage Treatment. The study is being done at Barueri Sewage Treatment Plant.This plant operate with anaerobic digestion process, which has as mainly products biogas (composed mainly by methane) and sludge. Part of the methane produced at the anaerobic process is burnt in a boiler being used to increase digestors temperature. The rest of the methane is burnt in flare to reduce the impacts caused by gases emissions. This article presents some technical, financial and environmental project results, related to the exploitation of sewer biogas for power generation, as well as bigger details about generation systems (biogas microturbine), used in the facility. 1. INTRODUÇÃO O biogás é uma mistura gasosa combustível, resultante da degradação anaeróbia de matéria orgânica que, no caso de sistemas de tratamento de esgoto, consiste no lodo. O lodo é um sub-produto sólido, gerado no tratamento dos esgotos (junto com sólidos grosseiros, areia e escuma), representando a maior parcela entre eles, sendo o substrato que deve receber maior importância em relação a seu tratamento, chamado tratamento da fase sólida, também incluindo sua disposição final. A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato (matéria orgânica a digerir). De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa.a formação do biogás envolve, basicamente, três etapas, sendo elas a fermentação, a acetogênese e a metanogênese. A ETE da SABESP em Barueri/SP, a maior da América Latina, está ilustrada na Figura 1. Estudos preliminares indicaram uma produção média de m 3 (tratamento secundário) por dia de biogás (chegando a m 3 /dia em alguns períodos), com um PCI (poder calorífico inferior, estimado) de kcal/nm 3 (22,2 MJ/Nm 3 ), cuja composição (%) é apresentada na Tabela 1. Outras características do biogás, são apresentadas na Tabela 2. Figura 1 Estação de Tratamento de Esgoto da SABESP, em Barueri/SP (SABESP, 2001) Tabela 1 Composição Média do Biogás em %, na ETE da SABESP em Barueri (CENBIO, 2003) Composição Média da Mistura Gasosa Metano (CH 4 ) 66,5% Dióxido de Carbono (CO 2 ) 30,5% Oxigênio (O 2 ) + Nitrogênio (N 2 ) 0,5% Umidade (H 2 O) 2,5%

3 Tabela 2 Outras Características ( 1 CENBIO, 2003 e 2 SABESP,2001) Outras Características Ácido Sulfídrico (H 2 S) ppm ou 0,01% Densidade Relativa 1 0,86 a 15ºC 101,325 kpa Pressão mm c.a. (Medida no Gasômetro) Volume Produzido m 3 /dia (aproximadamente) 2. TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS Existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética do biogás. Entendese por conversão energética o processo que transforma um tipo de energia em outro. No caso do biogás a energia química contida em suas moléculas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada. Essa energia mecânica ativa um gerador que a converte em energia elétrica. As turbinas a gás e os motores de combustão interna do tipo Ciclo Otto são as tecnologias mais utilizadas para esse tipo de conversão energética. Embora os motores, de modo geral, possuam maior eficiência de conversão elétrica, as turbinas a gás podem apresentar um aumento de sua eficiência global de conversão, quando operadas em sistemas de cogeração (calor e eletricidade) (COSTA et al., 2001). Com o intuito de melhor avaliar a eficiência das tecnologias acima citadas, foi instalada uma microturbina Capstone de 30 kw de potência (ISO), em conjunto com o sistema de purificação do biogás, para testes, como parte do projeto. Os resultados serão comparados com o desempenho dos motores, em termos técnicos, econômicos e ambientais. O objetivo é, ao final dos testes, avaliar a possibilidade de uso de microturbinas/motores a gás para geração em municípios de pequeno porte. 3. LIMPEZA DO BIOGÁS A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e dióxido de carbono, prejudica o processo de queima, tornando-o menos eficiente. Além destes, outros contaminentes podem estar presentes como é o caso do gás sulfídrico (H 2 S), que pode acarretar corrosão precoce, diminuindo tanto o rendimento, quanto a vida útil do motor térmico utilizado, a siloxina e a umidade.. No biogás gerado na ETE da SABESP em Barueri foram encontradas impurezas que podem comprometer o bom funcionamento do sistema de purificação (secadores por refrigeração), de compressão (compressor de paletas) e de geração de energia elétrica (microturbina e motores), presentes na instalação. As principais impurezas encontradas no biogás foram: a umidade, o H 2 S e o CO 2. No entanto a microturbina utilizada na instalação, foi projetada para operar com níveis de CO 2, entre 30% e 50%. Devido a este fato, não se tornou necessária a retirada deste elemento do biogás. Para a retirada da umidade presente no biogás foram utilizados, ao longo da linha, filtros coalescentes e dois secadores por refrigeração; um antes e outro após o compressor. Quanto à remoção do H 2 S gasoso, foi utilizado um filtro de carvão ativado, operando pelo princípio de adsorção, enquanto que, para a remoção do H 2 S solubilizado na água, foram utilizados secadores por refrigeração e filtros coalescentes. Tendo em vista que a microturbina corresponde ao equipamento de maior custo da instalação, o sistema de purificação empregado neste projeto, piloto na América Latina, foi dimensionado de forma a garantir que as características do biogás estejam dentro das especificações requeridas pela microturbina.

4 Outro contaminante típico do biogás de tratamento de esgoto é a siloxina, um composto de sílica proveniente de produtos de higiene pessoal e cosméticos. Sua presença, na ordem de ppb (partes por bilhão) acarreta, ao longo do tempo, problemas nos rotores de turbinas e motores pela formação de grãos de silica (areia) no interior dos equipamentos, devido à elevada temperatura (CAPSTONE, 2001). Esta substância apresenta baixa solubilidade em água e se aglomera nos sólidos transferidos aos digestores das estações de tratamento de esgoto. No ambiente quente dos biodigestores, sua concentração aumenta devido à decomposição de silício e de outros polímeros que contêm siloxina, cuja fórmula estrutural é mostrada na Figura 3. Figura 3 Fórmula Estrutural da Siloxina (CAPSTONE, 2001) Quando a siloxina está presente no combustível injetado na Microturbina, finas partículas de sílica se formam na câmara de combustão. Essas partículas são carregadas pelos gases a velocidades elevadas, através do rotor da turbina e saem pelo recuperador e trocador de calor (quando instalados). Com o passar do tempo, essas partículas abrasivas causam erosão em algumas das superfícies metálicas com que entraram em contato. A quantidade de siloxina presente no biogás está diretamente ligada a quantidade de cosméticos e produtos de higiene pessoal, principalmente pasta de dente, utilizada pela população que gera o efluente a ser tratada. Em comunidades com alto poder aquisitivo o teor de siloxina tende a ser maior do que em comunidades de menor poder aquisitivo onde o consumo de produtos de higiene pessoal é menor. 4. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS Nas Figuras 4 e 5, são apresentados uma foto e um esquema das instalações do projeto, respectivamente. A quantidade de biogás a ser consumida pela microturbina equivale a 20 m 3 /h ou 480 m 3 /dia, em média. Figura 4 Foto da Instalação do projeto (CENBIO, 2003)

5 Figura 5 Esquema da Instalação do projeto (CENBIO, 2003) Secador por Refrigeração 1 Válvula Esfera 2 Filtro de Carvão Ativado Filtro Coalescente 1 Sensor de Temperatura 1 Compressor de Palhetas Válvulas Esfera 3 e 4 Separador de Líquido com Dreno Plug Reserva 3 Plug Reserva 2 Secador por Refrigeração 2 Válvulas Esfera 5 e 6 Filtro Coalescente 3 Medidor de Vazão Saída do Gás de Exaustão Sensor de Pressão 1 Plug Reserva 1 Manômetro Filtro Coalescente 2 Sensor de Pressão 2 Sensor de Temperatura 2 Filtro de Gás Plug Reserva 4 e 5 Válvula Reguladora de Pressão Sensor de Pressão 3 Sensor de Temperatura 3 Microturbina Capstone Tubulação de Aço Inox Rígida Válvula Esfera 1 Tubulação de Aço Inox Flexível

6 5. RESULTADOS DA FILTRAGEM Para converter a energia química do biogás em energia elétrica, é necessário que o biogás produzido apresente composição e características adequadas à tecnologia de conversão empregada. Dessa forma, a tabela 3 exibe uma comparação dos resultados obtidos por meio das análises feitas no biogás gerado na ETE da SABESP, em Barueri, com as especificações do gás combustível de alimentação da microturbina (Modelo: C30 L/DG), de acordo com o fabricante Capstone. Tabela 3 Comparação dos resultados das análises do biogás com as especificações definidas pelo fabricante Capstone (CENBIO, 2003) Variante Unidade Capstone Barueri Observações O 2 % Volume ,00-6,30 Aprovado e % Volume ,22-23,8 Aprovado CO 2 % Volume ,0-30,8 Aprovado CH 4 % Volume ,1-69,9 Aprovado H 2 S ppm em vol , Aprovado H 2 O (P.O.)* % Volume 0 5 0,1-2,8 Aprovado P.C.I. kj/m Aprovado (*) P.O.: Ponto de Orvalho. Conseqüentemente, é possível concluir que o sistema de purificação projetado atende às especificações técnicas do combustível, exigidas pela microturbina. Vale ressaltar que a escolha e o dimensionamento dos equipamentos da linha do sistema de purificação e de compressão do biogás foram feitos de acordo com as necessidades técnicas da microturbina, ou seja, procurou-se projetar um sistema que atendesse seguramente aos parâmetros necessários para a operação do equipamento gerador. 6. ANÁLISE FINANCEIRA 6.1 Geração de 30 kw (ISO) com uma Microturbina Capstone Sabe-se o overall da microturbina Capstone = 40,000 horas. De posse do custo total de investimento em equipamentos, que considera Microturbina Capstone de 30 kw a Biogás, Compressor de Palhetas Secadores por Refrigeração, Filtro Coalescente, Filtro de Carvão Ativado, Tubulação, Válvulas esfera, Conexões Tubulação de exaustão com isolamento térmico e Obra civil, totalizando US$ 65,858.42, pode-se calcular a relação de custo pelo kilowatt instalado: R3 US$/kW = US$ 65, / 30 kw = US$/kW 2, Outro fator a ser considerado é o de que a microturbina gera 30 kw nas condições ISO, ou seja, pressão de 1 atmosfera (nível do mar) e temperatura de 15 C. No caso da microturbina instalada na ETE da SABESP em Barueri / SP, deve-se considerar uma variação de pressão e de temperatura, fatores estes que causam uma perda no rendimento do equipamento, reduzindo a potência máxima entre 23 e 28 kw.

7 Porém, deve ser levado em conta que, para a operação adequada da microturbina, torna-se necessária a utilização do sistema de purificação e compressão do biogás, que incluem equipamentos, como os secadores por refrigeração e o compressor, que consomem energia elétrica. Portanto, temos que quanto a energia elétrica gerada pela microturbina a Mínima = 23 kw; Máxima = 28 kw; Média = 25 kw. E quanto a energia elétrica consumida pelos dois secadores e pelo compressor, a Mínima = 4.5 kw; Máxima = 6.5 kw; Média = 5.5 kw. seja: Com base nesses dados é possível calcular a energia elétrica líquida entregue à rede, ou E.E.L. = Eg Ec E.E.L. = = 19.5 kw Onde: E.E.L. = Média da energia elétrica líquida entregue à rede; Eg = Média da energia elétrica gerada pela microturbina; Ec = Média da energia elétrica consumida pelos secadores e mais o compressor. seja: Com base nesses cálculos, surge uma nova relação de custo pelo kilowatt instalado, ou R3 US$/kW = US$ 65, / 19.5 kw = US$/kW 3, Geração de 30 kw (ISO) com um Grupo gerador da Trigás Sabe-se que overall do grupo gerador da Trigás = 5,000 horas. De posse do custo total de investimento em equipamentos, que são: Grupo gerador de 30 kw a Biogás, Tubulação, Válvulas esfera, Conexões Tubulação de exaustão com isolamento térmico e Obra civil, totalizando US$ 10,760.82; pode-se calcular a relação de custo pelo kilowatt instalado: R 4 US$/kW = US$ 10, / 30 kw = US$/kW Outro fator a ser considerado é o de que o grupo gerador da Trigás gera 30 kw nas condições ISO, ou seja, pressão de 1 atmosfera (nível do mar) e temperatura de 20 C. No caso do grupo gerador a ser instalado na ETE da SABESP em Barueri / SP, também temos que considerar uma variação de pressão e de temperatura, fatores estes que causam uma perda no rendimento do equipamento, reduzindo a potência máxima entre 25 e 28 kw. Com base nessa afirmação, surge uma nova relação de custo pelo kilowatt instalado, ou seja: R4 US$/kW = US$ 10, / 25 kw = US$/kW Porém, deve ser levado em conta que o tempo de vida útil do grupo gerador equivale à 1/8 ao da microturbina. Isso implica, por uma questão óbvia de equivalência, a correção das relações de custo pelo kilowatt instalado, ou seja de 8 vezes. Contudo, o recondicionamento do grupo gerador equivale a 1/3 do custo inicial, enquanto que no caso da microturbina, a troca do corpo da turbina representa um valor semelhante ao do investimento inicial.

8 Para um regime de 40,000 horas de operação, no caso do motor, deveremos considerar portanto, um investimento inicial de 24,680.00, mais 7 vezes o valor do recondicionamento do motor: R 5 US$/kW = (US$ 10, x US$ 3,586.95) / 30 kw R 5 US$/kW = US$/kW 1, e R 5 US$/kW = (US$ 10, x US$ 3,586.95) / 25 kw R 5 US$/kW = US$/kW 1, Tomando-se como referência o tempo de vida útil dos equipamentos, pode-se concluir, conforme a tabela abaixo, que a viabilidade econô mica entre as duas alternativas apresentadas e discutidas acima, mostra-se favorável à escolha pela tecnologia dos grupos-geradores. Tabela 4 Comparação entre as relações de custo da instalação por kilowatt gerado para ambas as tecnologias (Microturbina Capstone e Grupo-gerador da Trigás) (US$/kW) Microturbina Capstone Grupo Gerador da Trigás Relação entre custo e potência bruta instalada R 3 = 2, US$/kW R 5 = 1, US$/kW Relação entre custo e potência líquida instalada R 3 = 3, US$/kW R 5 = 1, US$/kW Embora o custo de geração utilizando-se as microturbinas seja alto, em comparação com a os grupos-geradores, deve-se levar em conta que a única vantagem do uso dessa tecnologia está diretamente vinculada à questão ambiental, principalmente no que se refere à emissão de NOx, gás de efeito estufa equivalente à 315 vezes o do CO2. Com os dados obtidos das análises de exaustão da microturbina, foi possível perceber que a taxa de emissão de NOx mostrou-se inferior a 1 ppm, levando-se em conta que o fabricante do equipamento (Capstone), garante uma taxa de emissão de NOx inferior a 9 ppm. Sendo assim, a grande vantagem da utilização deste tipo de tecnologia, está diretamente vinculada ao ganho ambiental, quando comparada com a tecnologia de grupos geradores de combustão interna (ciclo Otto), responsáveis por uma taxa de emissão de NOx na ordem de 3,000 ppm. 7. ANÁLISE AMBIENTAL No que se refere aos valores obtidos com relação aos gases de exaustão da microturbina, os resultados são mostrados na Tabela 13. Tabela 5 Resultados das análises de exaustão da microturbina (CENBIO, 2003) O 2 (% vol.) CO 2 (% vol.) CO (ppm) SO 2 (ppm) NO (ppm) NOx (ppm) THC (ppm) Mínimo Máximo Média Com os dados obtidos das análises de exaustão da microturbina, foi possível perceber que a taxa de emissão de NOx, mostrou-se inferior a 1 ppm, levando-se em conta que o fabricante do equipamento (Capstone), garante uma taxa de emissão de NOx inferior a 9 ppm. Sendo assim, a grande vantagem da utilização deste tipo de tecnologia, está diretamente vinculada ao ganho ambiental, quando comparada com a tecnologia de grupos geradores de

9 combustão interna (ciclo Otto), responsáveis por uma taxa de emissão de NOx na ordem de 3,000 ppm. 8. CONCLUSÕES O emprego energético do biogás causa diferentes impactos econômicos dependendo do sistema em que ele é gerado. A geração de energia elétrica a partir do biogás nos aterros sanitários permite além de uma auto-suficiência energética, a geração de um excedente de energia que pode ser vendida para a rede elétrica local. Devido a grande demanda de energia elétrica exigida pelos equipamentos usualmente empregados no processo de tratamento de esgoto das estações, a utilização do biogás produzido no processo de digestão anaeróbica para a geração de energia, permite apenas uma redução do consumo de eletricidade. Em média, essa redução é da ordem de 20%. Este projeto possibilitou o estudo comparativo entre a tecnologia das microturbinas e dos grupos-geradores de pequeno porte, permitindo a identificação de fornecedores, equipamentos e tecnologias nacionais de grupo-geradores capazes de facilitar a replicabilidade deste tipo de projeto devido, principalmente, ao menor custo, menor complexidade da instalação, operação e manutenção. O presente trabalho serve também como incentivo para a ampliação da prestação deste serviço no Brasil, integrando o uso sustentável dos recursos naturais renováveis com o uso racional e eficiente de energia. No entanto, para que isso ocorra, é necessário que o biogás produzido apresente composição e características adequadas à tecnologia de conversão empregada. Procurou-se projetar um sistema que atendesse seguramente aos parâmetros necessários para a operação da microturbina, e, com base na Tabela 3, é possível concluir que o sistema de purificação projetado atende às especificações técnicas do combustível, exigidas pela Capstone. Outro dado relevante está vinculado às emissões da microturbina. As análises dos gases de exaustão conduzidas na ETE de Barueri indicaram emissões de NOx da ordem 1 ppm, sendo que a Capstone garante uma taxa de emissão de NOx inferior a 9 ppm. Sendo assim, a grande va ntagem da utilização deste tipo de tecnologia, está diretamente vinculada ao ganho ambiental, quando comparada com a tecnologia de grupos geradores de combustão interna (ciclo Otto), responsáveis por uma taxa de emissão de NOx na ordem de 3,000 ppm. No entanto quando a análise financeira da tecnologia é considerada, o resultado é extremamente desfavorável para a microturbina. Além do custo do equipamento em si, a microturbina exige que o gás combustível apresente propriedades mais controladas que os motores convencionais, acarretando o uso de sistemas de purificação do gás, o que não se faz

10 necessário para o grupo-gerador, pois, além de suportar o uso de um biogás in-natura dispensa a necessidade de compressão uma vez que o seu princípio de funcionamento se dá por aspiração. De acordo com a Tabela 4, é possível observar a diferença entre o custo da potência instalada para ambos os sistemas e que, em termos de potencia líquida instalada, a turbina apresenta um custo duas vezes maior que os motores convencionais. Soma-se a este fato a dificuldade de efetuar as manutenções nos equipamentos da linha de tratamento e compressão do gás, principalmente do compressor que é importado e o representante local não dispõe de peças de reposição em estoque, pois se trata de um equipamento pouco comum no mercado. Em linhas gerais, o aproveitamento energético do biogás melhora o desempenho global do processo de tratamento de esgoto. A opção entre fazer o aproveitamento ou não está vinculada a características específicas do sistema. Em primeiro lugar o sistema de tratamento deve incluir a fase anaeróbica, onde o biogás é produzido. Em segundo lugar a quantidade de efluentes tratados e sua DBO devem ser suficientes para fornecer gás o bastante para alimentar um grupo gerador. Neste aspecto, para os menores grupos geradores disponíveis no mercado (30 kw), e que foram objeto deste estudo, é necessário que o esgoto de habitantes seja tratado para fornecer biogás suficiente para alimentar um sistema de 30 kw que opere 24 horas por dia. A determinação da potencia instalada deve levar em conta a carga de demanda da planta. Em alguns casos, quando a tarifa paga pela estação é diferenciada em função do horário pode ser conveniente que a potência instalada seja maior e que o sistema opere por um período de tempo menor reduzindo o consumo de energia da rede nos horários de pico. Ainda é preciso incluir, neste cenário, a possibilidade de computar as emissões evitadas de gases de efeito estufa (0,5 tc/kwh) e desta maneira incluir os créditos de carbono previsto nos projetos do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo do Protocolo de Quioto. 9. BIBLIOGRAFIA CAPSTONE. Authorized Service Provider Training Manual Capstone Turbine Corporation, Los Angeles, CENBIO. Medidas Mitigadoras para a Redução de Emissões de Gases de Efeito Estufa na Geração Termelétrica. Brasília, 2000, 222 pg. CENBIO. Nota Técnica VII - Geração de Energia a Partir do Biogás Gerado por Resíduos Urbanos e Rurais, São Paulo, CENBIO. Relatórios de A tividades Projeto ENERG-BIOG, São Paulo, COSTA et al. Produção de Energia Elétrica a partir de Resíduos Sólidos Urbanos, Trabalho de Graduação Interdisciplinar/FAAP, São Paulo, SABESP. Companhia e Saneamento Básico do Estado de São Paulo, 2001.