IMPACTO DE UM BIODIGESTOR DOMICILIAR NA ECONOMIA DE EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA EM UMA PROPRIEDADE DA AGRICULTURA FAMILIAR DO CARIRI PARAIBANO

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1 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 315 IMPACTO DE UM BIODIGESTOR DOMICILIAR NA ECONOMIA DE EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA EM UMA PROPRIEDADE DA AGRICULTURA FAMILIAR DO CARIRI PARAIBANO Luis Cláudio MATTOS Eng. Agrônomo, MS, Especialista em Incentivos Ambientais do PDC Projeto Dom elder Câmara - lcm@dom.gov.br Joel KREBIEL Engenheiro Mecânico, Técnico Voluntário da AMAS Associação Menonita de Assistência Social (Mennonite Central Committee joelkrehbiel@gmail.com RESUMO O avanço do desmatamento da vegetação caatinga tem gerado uma preocupação crescente sobre estratégias de preservação deste bioma. O uso não sustentável da lenha com fins energéticos domésticos é uma das principais causas do desaparecimento da vegetação. O trabalho de manejo sustentável de terras e promoção da agroecologia desenvolvido pelo Projeto Dom elder Câmara com apoio do FIDA e GEF na região semiárida Brasileira visa identificar alternativas para o uso sustentável dos recursos naturais ao mesmo tempo em que se implementa estratégias de desenvolvimento e superação da pobreza rural. A implantação de biodigestores com vistas a produção de biogás, poderia substituir os combustíveis utilizados no cozimento: lenha, carvão e o gás liquefeito de petróleo (GLP). O presente artigo apresenta uma análise comparativa entre as emissões de gases de efeito estufa (GEE), em uma situação antes e depois do biodigestor. Os dados apresentados indicam que as emissões de GEE oriundas da atividade de cozimento realizada por uma família de agricultores típica da região do Cariri Paraibano, podem variar de 1586 a 4348 kg de CO Eq/Ano, dependendo do tipo de combustível utilizado. Após a instalação do biodigestor estes valores se reduzem a uma faixa de 17 a 750 kg de CO Eq/Ano. O que representa uma redução de 50% a mais de 1000% nas emissões de GEE. PALAVRAS-CAVE: Energias renováveis; Aquecimento Global; Agricultura Familiar; Caatinga; Semi-árido. ABSTRACT The deforestation of the natural Caatinga vegetation of Brazilian semiarid region represents one of the main growing environmental concerns of the country. The use of firewood and charcoal for cooking has been indicated as one important threat to this forest. The work of sustainable land management and promotion of organic farming developed by Project Dom elder Câmara, with support from IFAD and GEF in the Brazilian semiarid region aims to identify alternatives for the sustainable use of natural resources at the same time as implementing development strategies and overcoming rural poverty. The implementation of anaerobic digesters to produce biogas, could replace the fuel used in cooking: firewood, coal and liquefied petroleum gas. The objective of this paper is to analyze the balance of greenhouses gases (GG) emissions before and after the biodigester s construction. The results have shown reductions of greenhouse gas emissions, from values between 1586 and 4348 kg of COEq/year to values between and 17 and 750 kg of COEq/year. This represents reductions from 50 percent to more than 1000 percent. KEYWORDS: Renewal Energy; Global Warming; Small Farmers; Forest; Semiarid INTRODUÇÃO A população que habita as zonas rurais da região semiárida brasileira, dependem diretamente dos manejo dos recursos naturais. Os recursos de água e solo estão entre os mais determinantes na sustentabilidade social e econômica da região. Em menor evidencia, mas não

2 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 316 menos importante, encontram-se as fontes de energia. Muitas localidades rurais da região tem adotado estilos de vida no campo mais próximos daqueles nas zonas urbanas. Algumas famílias, em função da redução da disponibilidade de lenha tem pouco a pouco substituído o uso da lenha pelo fogão a gás - Gás Liquefeito de Petróleo (GLP). Se antes, o uso da lenha ou carvão significava a autonomia de recursos, atualmente, a introdução de GLP tem representado um fator a mais de dependência. Além disso, o GLP representa uma fonte não renovável de energia, diferentemente da lenha. Mas mesmo a lenha, sendo potencialmente renovável, tem sido usada de tal maneira que o uso doméstico tem contribuído como um fator no desmatamento. A substituição da lenha e carvão pelo GLP tem impactos também sobre a economia doméstica. Motivados por investimentos não retornáveis realizados pelo Projeto Dom élder Câmara (PDC), muitas famílias tem despertado interesse na implantação de biodigestores como fonte alternativa ou complementar de combustível. O biogás é produzido a partir da fermentação anaeróbica de esterco de curral. Tem predominância de metano e, canalizado até os fogões, substituem o GLP (Figura 1). Em entrevistas, as famílias beneficiarias do PDC que dispõe dos biodigestores tem Figura 1- Esquema simplificado do Biodigestor manifestado satisfação com o investimento, possui efeito direto sobre vários dos aspectos da vida doméstica (Quadro 1). Os impactos potencialmente negativos se referem ao custo de investimento inicial e de manutenção em geral relacionado a economia de mão de obra na propriedade. O Quadro 1 - Efeitos atribuídos a instalação de biodigestores pelas famílias que os possuem a diminuição da emissão de fumaça no interior da casa, a redução do trabalho de recolhimento de lenha da vegetação economia com a compra de botijões de gás. produção de biofertilizante etc que custo balanço global das relações custo-beneficio e a satisfação das famílias indicam um saldo bastante positivo com o investimento. Isto se deve em parte à adoção de um modelo simplificado de biodigestor, de baixo custo, construído com materiais de fácil aquisição nos mercados locais, facilitando a replicação. á contudo uma preocupação quanto a emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE). Os modelos adotados permitem que parte dos GEE produzidos na fermentação escape para a atmosfera. O presente estudo focou esta questão e procurou estabelecer parâmetros confiáveis para que se possam prever os impactos sobre a emissão de GEE em uma situação com e sem biodigestor. MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia adotada foi baseada e adaptada a partir daquela proposta pela US-EPA, 008. Os dados coletados no campo se complementam com outros colhidos na bibliografia. As projeções são de uma família típica da Região do Cariri Paraibano. Nesta comparação foi estudada uma situação em que toda a energia do cozimento é substituída pelo Biogás. Para esta analise os seguintes sistemas foram considerados: Esterco no curral Produz principalmente CO, C 4 entre os GEEs. Para este exercício considerou-se que o manejo do curral era o mesmo antes e depois da instalação do biodigestor, com a única diferença de que parte do esterco depositado passa a ser recolhido para alimentar o biodigestor. Por isso, para efeito comparativo, desprezou-se os níveis de emissão de GEE do esterco não recolhido. Foram desconsiderados também os níveis de CO emitidos pelo esterco no curral, considerando-o próximo ou equivalente às emissões de CO que serão realizadas pela queima do biogás durante o cozimento, também desconsiderados. Sendo assim a emissão de GEE para esterco de curral é assumida como sendo:

3 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 317 CO Eq d GWP f SV T B curral diaria kg kg/m Em que: kg/kg kg/dia d - Densidade do metano (kg de C4/ m3) = 0,714 kg/m 3 GWP - potencial de aquecimento = 1 kg/kg f curral - fator de conversão em função das condições de transformação. Para efeito deste estudo utilizou-se o valor de 0,05 para o ambiente de curral (US-EPA, 008). SV - Sólidos Voláteis para este estudo tomou-se como referência apenas a quantidade de esterco retirada do curral. A mesma que será adicionada ao biodigestor = 0 kg/dia. T - tempo = 365 dias B - Máxima capacidade de produção de metano em função do tipo de esterco B = [C 4 ].P, sendo: [C 4 ]=Concentração de C4 no biogás (70%); P = Potencial de produção de biogás do esterco em m 3 de BioGás/kg de esterco = 0,050 segundo Winsock, 008; e, B = 0,035m 3 /kg esterco Biodigestor Converte o esterco em biogás, que tem predominância de metano. Para esta análise o sistema do biodigestor foi subdividido dois subsistemas principais: i) a câmara interna propicia um ambiente anaeróbico de fermentação; e, ii) a área externa que representa um ambiente semi-aeróbico de fermentação (figura 1). Deve-se portanto levar em consideração um percentual de fuga de biogás pela área externa. Para estimar se as emissões de GEE nos biodigestores foi necessário estabelecer um critério para definir a eficiência de coleta. As emissões de GEE nos biodigestores podem ser definidas pelas equações: h ED CO Eq (kg) d GWP f SV T B 100 (1-100 ) Para o ambiente anaeróbico; e, ambiente anaeróbico h CO Eq(kg) d GWP f SV T B ambiente semi-aeróbico Para o ambiente semi-aeróbico. Em que: d - Densidade do metano (kg de C4/ m3) ou 0,714 kg/m 3 por estequiometria GWP - potencial de aquecimento = 1 kg/kg f ambiente anaeróbico - fator de conversão para o interior da câmara do biodigestor. Utilizou-se o valor de 0,90 (US-EPA, 008). f ambiente semi-aeróbico - fator de conversão para o sobrenadante externo do biodigestor. Utilizou-se o valor de 0,8 (Mangine et alli, 001). SV - Sólidos Voláteis para este estudo tomou-se como referência a quantidade de esterco adicionada diariamente ao biodigestor = 0 kg/dia (dado coletado no campo) T - tempo = 365 dias B - Máxima capacidade de produção de metano em função do tipo de esterco sendo B = [C 4 ]. P CE h - Eficiência de coleta, definida pela relação do volume de câmara interna do biodigestor e o volume ocupado pelo sobrenadante na parte externa. Devido à geometria variável do biodigestor a CE varia em função da elevação da caixa de fibra (e) pela pressão interna do gás. Para o cálculo da CE foram calculados volumes dos troncos de cone a partir das dimensões da caixa d água em cada uma das três secções da caixa (figura ). CE CE V tronco do cone (secção da caixa) 1 3.h R R.r r

4 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 318 Os volumes internos são descontados do volumes (e) decorrentes das diferenças de nível entre a câmara de fermentação interna e o sobrenadante externo geradas pela pressão do gás. Essa pressão verificada em condições reais situa-se em torno de 10cm de coluna de água. Os volumes do sobrenadante externo é tomado pela diferença entre o volume total do cilindro da secção e os trocos de cone acima. ED - Eficiência de destruição de metano. Percentual de metano que efetivamente queima com a combustão do biogás. Figura seções geométricas utilizadas no cálculo da eficiência de coleta Biomassa da lenha Tomou-se como parâmetro a lenha consumida pela família antes do biodigestor e depois, no caso de ser a lenha integralmente substituída pelo biogás. Assumiu-se que todo o GEE emitido pela queima de lenha era CO. As emissões da queima de lenha são definidas pela seguinte fórmula: CO Eq(kg) Vl dl Fl Onde: Vl = Volume de lenha consumida (m 3 ) dl = densidade da lenha consumida (kg/m 3 ) Fl = Fator de conversão da lenha em CO. Segundo ingane, 1991, Fl é igual a 0,4 kg de CO /kg de lenha. Levou-se em consideração também a taxa de regeneração da caatinga. Para isso foram estimados as emissões de GEE em áreas com densidade de lenha 15st/ha e taxa de regeneração média de 5st/ano. Nestas condições, para uma demanda de 17st/ano, somente acima de 3,5 ha a retirada de lenha entra em equilíbrio com a regeneração. Abaixo desta área a retirada acontece com diminuição progressiva de biomassa. As estimativas de emissões calculadas são para 50 anos. Biomassa via carvão A biomassa do carvão é oriunda da vegetação. O carvão é em geral mais calórico que a lenha bruta, é de maior praticidade no manuseio e emite menos fumaça. Por estas e outras razões muitas famílias preferem o uso do carvão à lenha bruta. Neste estudo procurou-se simular uma situação em que a família utilizasse o carvão em substituição à lenha. Neste caso o carvão poderia ser produzido pela própria família ou ser adquirido no mercado. Em qualquer dos casos as estimativas de emissões de GEE levam em consideração tanto o processo de produção de carvão quanto a sua queima no cozimento. kg de CO VC. dsaco. FP VC. dsaco. FQ Onde: V C = Volume de carvão consumido anualmente em sacos d saco = Densidade do saco de carvão 0kg F P = Fator de produção de CO Eq por kg de carvão produzido F Q = Fator de produção de CO Eq por kg de carvão queimado Para o calculo de F P considerou-se os seguintes parâmetros: Reação da pirólise da madeira com sendo (Numazawa, 006): C Temp C 4 60O8 8C 7 4O C 13 0O, 5 C 4O C 4O C O 3CO 5CO 6 madeira Carvão Vegetal Alcatrão AcidoAcético Metan ol Formol Monóxido Dióxido de Carbono de Carbono Fração Solida monóxido de carbono em dióxido de carbono: Fração Liquida Fração Gasosa ransfor mação do 45 dias Sendo: CO O CO Calor 1st de lenha = 300kg de lenha 1.000kg de lenha produz 50kg de carvão (fração sólida) além de 560kg de fração liquida e outros 190kg de fração gasosa (Numazawa, 006). O Fração Aquosa T

5 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 319 Desprezaram-se os teores de metano da fração gasosa considerando que as condições de produção do carvão na região são pouco eficientes - sob pressão atmosférica e em temperaturas relativamente baixas. Nestas condições chega-se um F P = 0,88 kg/kg. Ressalta-se que segundo Pennise, este mesmo fator situa-se entre 0.77 e 1,63 kg/kg, atestando o valor calculado, já que foram desprezados o C 4 e o N O para os processos comumente utilizados de produção de carvão na região. Para estimar F Q utilizou-se a seguinte reação de combustão: Daí C7 4O 15 O 14 CO 4 O tem-se que F Q =,9 kg/kg Gás de cozinha (GLP) O estudo de caso indicou que há uma tendência crescente no uso de fogões a gás em razão da praticidade e da escassez de lenha. Em uma situação em que todo o cozimento é feito com gás de cozinha as emissões de GEE podem ser estimadas por: CO Eq dbujão. N B. FBujão Em que: d Bujão = densidade do GLP em cada bujão de gás 13K/Bujão N B = demanda em numero de bujões por ano 1 Kg/ano F B = fator de emissão de GEE por GLP kg/kg ( 34 ) Resultados e Discussão As emissões de GEE para cada sistema antes da instalação do biodigestor estão apresentadas na Tabela 01. Observa-se que as maiores taxas de emissão foram devidas a utilização de carvão, uma vez que em geral a sua produção, quando destinada ao mercado ocorre de forma predatória, com baixíssimas taxas de regeneração. As menores taxas de emissão de GEE foram devidas ao uso de GLP e da lenha retirada de áreas manejadas. Neste caso, os resultados são próximos e parcialmente explicado pelo fato de, por um terem sido desconsideradas as emissões de CO Eq durante o refino do GLP e por outro o fato de que as emissões derivadas da utilização de lenha de áreas manejadas terem sido anualizadas a partir dos totais de 50 anos. O sistema do curral sempre estará presente em cada uma das situações. Sendo assim, o total de emissões será sempre igual a soma do sistema curral com cada um dos outros sistemas. È também possível imaginar que a família combine dois ou mais sistemas no fornecimento de energia para o cozimento. Contudo as comparações neste artigo ocorrem considerando apenas uma única fonte combustível a cada vez. Figura 3 - Estágios de elevação da caixa Para a situação após a instalação dos biodigestores, todos os sistemas são substituídos. A única fonte emissora de GEE passa a ser o biodigestor. Os cálculos da Eficiência de Coleta (CE) 34 Dado fornecido por Christiano Pires de Campos, Engenheiro de Meio Ambiente do Centro de P&D Leopoldo Américo Miguez de Mello da PETROBRAS em 009

6 Emissões em Kg de CO Eq A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 30 tomaram como base 4 estágios de elevação da caixa do biodigestor (Figura 3). A CE será tanto maior quanto mais elevada estiver a caixa do biodigestor, já que o volume do sobrenadante exposto ao ar será menor, e a relação entre o volume interno e o externo se torna maior (Tabela 0). As emissões totais de biodigestor estão apresentadas na Tabela 3. Nota-se que o maior valor de 749 kg de CO são obtidos com um manejo ineficiente em que a caixa encontra-se próxima do fundo, expondo um volume maior de sobrenadante externo. Por outro lado os níveis baixos de emissão obtidos com máxima pressão do biogás oferecem o risco de escapamento de metano para a superfície pela borbulha direta por baixo da caixa. Este tipo de emissão foi desconsiderado do calculo. Assim sendo pode-se comparar a situação após a instalação do biodigestor com as demais anteriores a sua instalação (Gráfico 01). O resultado indica que em quaisquer das situações simuladas, a instalação do biodigestor representou uma economia na emissão de GEE, reduzindo pela metade o nível de emissões do sistemas mais eficientes verificados. Observa-se que não é necessário operar com o biodigestor na sua máxima eficiência, com a caixa elevada para se obter economia nas emissões de GEE. Os resultados alcançados são explicados pelo fato de que com o biodigestor parte do esterco de curral, grande fonte de emissões de metano, sai do sistema curral e uma vez introduzido na câmara do biodigestor, passa a produzir metano para ser queimado. No curral, a eficiência de conversão é menor que no biodigestor. No entanto, como não há coleta e nem destruição do metano produzido, o nível de emissões é mais alto. Os resultados indicam também que além da instalação dos biodigestores, recomenda-se adoção de praticas que possam melhorar a eficiência dos sistemas. Por exemplo a utilização do esterco de curral como adubo espalhado tenderia a reduzir as emissões no curral. A instalação de fogões a lenha mais eficientes tenderia a diminuir o uso de lenha tornando-o mais sustentável. CONCLUSÃO É recomendável a instalação de biodigestores em propriedades rurais em que as condições sejam semelhantes às simuladas neste estudo. Não é recomendável que os biodigestores operem com máxima pressão, próximos ao limite superior de eficiência, já que a economia de emissões de GEE é grande em qualquer dos níveis pesquisados e que nestes estágios há risco real de emissões por borbulha do biogás, o Grafico 01 - Comparativo de emissões anuais de GEE antes de depois da instalação dos biodigestores Curral + Carvão Curral + Lenha Curral + Lenha (area de 1ha) Curral + Lenha de 3,5 ha Curral + Bujões de GLP Biodigestor no Estágio 1 Biodigestor no Estágio Biodigestor no Estágio 3 Biodigestor no Estágio 4 que provocaria uma redução abrupta da sua eficiência. É recomendável que todo o esterco seja espalhado como adubo para reduzir as emissões de GEE no ambiente de Curral. Esta recomendação é valida também para o esterco no curral que não é aproveitado no biodigestor. Os biodigestores podem ser combinados a outras praticas de manejo nas propriedades como alternativa para mitigação do aquecimento global e das mudanças climáticas, além de outros benefícios como o fornecimento de biofertilizante para a lavoura.

7 A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade 31 BIBLIOGRAFIA INGANE, L.S. Some aspects of Carbon Dioxide exchange between atmosphere and India plant biota. Climatic Change Vol. 18: MANGINO J; BARTRAM, D. & BRAZY, A. - Development of a Methane Conversion Factor to Estimate Emissions from Animal Waste Lagoons - U.S. Environmental Protection Agency, Methane and Sequestration Branch p. NUMAZAWA, S. Conversão de biomassa e emissão pirolítica na produção de carvão vegetal no Estado do Para. Palestra proferida no III Workshop de Química e Meio Ambiente p. OLIVIER, A.P. M; SOUZA NETO, A.A; QUADROS, D.G. & VALLADARES, R.E. - Manual de Treinamento em Biodigestão Winrock - USAID - Energia e Desenvolvimento. Versão.0, 008. p. PENNISE, D. M.; SMIT, K. R.; KITINJI, J. P.; REZENDE, M. E.; RAAD, T. J.; ZANG, J. & FAN,C. - Emissions of greenhouse gases and other airborne pollutants from charcoal making in Kenya and Brazil, J. Geophys Res., 106(D0), 4,143 4,155. SAMPAIO, E.V.S.B.; ARAÚJO, E.L.; SALCEDO, I..; TIESSEN,. - Regeneração da vegetação de caatinga após corte e queima, em Serra Talhada, PE. Pesquisa agropecuária brasileira, Brasília, V. 33, p US-EPA - United States Environment Protection Agency - CLIMATE LEADERS GREENOUSE GAS INVENTORY PROTOCOL OFFSET PROJECT METODOLOGY for Project Type: Managing Manure with Biogas Recovery Systems Version 1.3, 7p.