AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE GERAÇÃO DE BIOGÁS DE UM ATERRO SANITÁRIO COM VISTAS À PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE GERAÇÃO DE BIOGÁS DE UM ATERRO SANITÁRIO COM VISTAS À PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Evaluation of the Potential of Landfill Biogas Generation for Electrical Energy Production Victor V. Silvestre 1 Marlon A. Capanema* Leonardo V. Neves Paulo B. Filho 2 Armando B. de Castilhos Jr. Abstract Biological anaerobic degradation of solid wastes in landfills results in the generation of a biogas, which is composed of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ). Methane is one of the main actors of the anthropogenic greenhouse effect. However, methane has a high calorific power, and can be converted into electrical energy. As a result, it is important to study the generation of this gas to verify the economic viability of its use. This study evaluated the potential of biogas generation in a landfill located in Vale do Rio Itajaí, state of Santa Catarina (Brazil), for producing electrical energy. The methodology consisted of applying an empirical mathematical model, represented by an equation of first order decay, based on the assumption that there is a constant fraction of biodegradable material in the landfill per unit time. According to the results, the landfill under study showed a potential of biogas generation of up to 1,034,072,823 m³ch 4 during the considered period, i.e. from 2015 to Therefore, it can be concluded that there exist favorable conditions for electricity generation, encouraging the use of alternative and renewable energy, and promoting the diversification of regional and Brazilian energy matrix. KeyWords: landfill, anaerobic degradation, biogás generation, methane. 1 Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC * Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Centro Tecnológico CTC, Universidade Federal de Santa Catarina, campus Trindade. Rua Delfino Conti S/N. Bairro Trindade. Florianópolis, Santa Catarina, Brasil. CEP marlon.capanema@posgrad.ufsc.br

2 Resumo A degradação biológica anaeróbia dos resíduos sólidos em aterros sanitários resulta na geração de biogás, uma mistura constituída de metano (CH 4 ) e gás carbônico (CO 2 ). O metano do biogás é apontado como um dos principais atores do efeito estufa antropogênico. No entanto, o metano apresenta elevado poder calorífico e pode ser aproveitado para produção de energia elétrica. Em virtude disso, é importante estudar a geração deste gás a partir de aterros sanitários para verificar a viabilidade de seu aproveitamento. Este estudo avaliou o potencial de geração de biogás de um aterro sanitário localizado no Vale do Rio Itajaí, Santa Catarina (Brasil), com vistas à geração de energia elétrica. A metodologia consistiu na aplicação de um modelo matemático empírico, representado por uma equação de decaimento de primeira ordem baseada na suposição de que há uma fração constante de material biodegradável no aterro por unidade de tempo. De acordo com os resultados, o aterro em estudo apresentou um potencial de geração de até m³ de CH 4 durante o período considerado, de 2015 a Verificou-se, portanto, condições propícias para geração de energia elétrica, fomentando o uso de energias alternativas e renováveis, e promovendo a diversificação da matriz energética regional e brasileira. Palavras-chave: aterro sanitário, degradação anaeróbia, geração de biogás, metano. Introdução Os aterros sanitários constituem uma das alternativas de disposição final de resíduos sólidos urbanos mais comuns. No Brasil, mais de 110 mil toneladas de resíduos são destinados a aterros diariamente, o que equivale a 58,3% dos resíduos gerados. Nos Estados Unidos, que são um dos maiores geradores de resíduos do planeta, cerca de 134 milhões de toneladas de resíduos (53,6%) foram destinadas a aterros em 2011 (BRASIL, 2011; Manna et al., 1999; USEPA, 2013). A composição destes resíduos é extremamente variada, formada por diversos tipos de materiais inorgânicos, inertes, orgânicos biodegradáveis e recalcitrantes. Embora a composição seja variada, a maior fração volumétrica é composta de matéria orgânica, com elevado potencial de biodegradação anaeróbia (Hnain et al., 2011). Por meio de mecanismos físicos, químicos e microbiológicos, alguns resíduos possuem condições de serem degradados biologicamente, resultando na geração de lixiviado e biogás (Firmo et al., 2010). Quando dispostos nos aterros, os resíduos são decompostos inicialmente por microrganismos aeróbios em presença de oxigênio existente na massa sólida. Quando o O 2 é totalmente consumido, cria-se uma condição de anaerobiose e a fração de resíduos restante passa a ser degradada por microrganismos anaeróbios. Estes microrganismos convertem a matéria orgânica em moléculas mais simples, como celulose, aminoácidos e açúcares, que são então fermentadas em moléculas orgânicas de cadeia curta, formando um substrato ideal para as bactérias metanogênicas. Os produtos da fermentação são convertidos em subprodutos orgânicos estabilizados e biogás, que pode se composto em média por 50% de CH 4 (Weitz et al., 2008). O biogás, gerado em condições anaeróbias, consiste numa mistura de 50 a 60% (v/v) de metano (CH 4 ), 40 a 50% (v/v) de dióxido de carbono (CO 2 ) e outros gases em concentração traço (< 1%), por exemplo, o sulfeto de hidrogênio (H 2 S), as mercaptanas e diversos compostos orgânicos voláteis (IPCC, 2007). De acordo com os procedimentos de operação de aterros, o biogás deve ser coletado por meio de um sistema de drenos verticais de pedra e queimado, transformando o CH 4 em CO 2 antes de ser emitido diretamente na atmosfera (Manna et al., 1999). Além disso, uma camada de cobertura com solo pouco permeável, denominada cobertura final, é instalada sobre a massa de resíduos para evitar as emissões atmosféricas de biogás. Entretanto, tais sistemas não são totalmente eficazes e muitas vezes o metano é emitido diretamente para atmosfera. De fato, globalmente, estimase que os aterros sanitários são responsáveis por 3 a 10% do total das emissões de metano para a atmosfera (Stern et al., 2007). O metano é um gás de efeito estufa (GEE) com potencial de aquecimento global (global warming potential, GWP) 25 vezes maior que o CO 2. Quando emitido diretamente para a atmosfera, ele contribui para o agravamento do efeito estufa, e consequentemente para os impactos ambientais associados a este fenômeno, p. ex. o aquecimento global e as mudanças climáticas (Ensinas, 2003; Themelis & Ulloa, 2007, IPCC, 2007). Em contrapartida, em condições

3 normais de temperatura e pressão (0 C e 1,0 atm), o CH 4 possui um poder calorífico de 9,9 kwh/m 3. Em relação ao biogás, com concentração variando entre 50% e 80% de CH 4, o poder calorífico pode variar de 4,95 a 7,9 kwh/m 3. Esse parâmetro varia de acordo com a quantidade de metano existente, atingindo de a kcal/m 3, e podendo atingir até kcal/m³ quando da retirada do CO 2 (Zago, 2003). Assim, o aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica traz várias vantagens socioambientais, econômicas, estratégicas e tecnológicas. Primeiramente, promove a diversificação da matriz energética, com incentivo à geração descentralizada e distribuída de energia elétrica, aumentando a segurança no abastecimento de energia, valorizando as características e potencialidades regionais e locais, e reduzindo investimentos nos sistemas de distribuição e de transmissão (BRASIL, 2007). A geração de energia elétrica em aterros é uma forma inteligente de utilização do biogás tendo em vista a grande quantidade de emissões de GEE que deixariam de ser lançadas na atmosfera. Ainda, a comercialização de energia gerada em aterros consiste em uma promissora alternativa para produtores independentes de energia. A utilização de gás de aterro sanitário é ainda incipiente no Brasil e o desenvolvimento de tecnologias a nível nacional é de extrema importância, visto o grande potencial existente no país. Segundo Castilhos (2003), no Brasil são geradas aproximadamente toneladas de resíduos sólidos urbanos por dia com uma taxa de coleta de 80%, capaz de produzir até toneladas de metano por ano. Neste viés, estima-se uma potência elétrica gerada, somente pelos resíduos sólidos urbanos no Brasil, de aproximadamente 300 MW. O presente estudo faz parte de um amplo projeto multidisciplinar que visa a produzir energia elétrica a partir de biogás de aterro sanitário em escala piloto. A primeira etapa (presente estudo) consiste na avaliação do potencial de geração de biogás. A segunda etapa consiste na purificação do biogás para remover impurezas, umidade e realizar a separação do CH 4 do CO 2. Uma terceira etapa consiste na instalação piloto de geração de energia elétrica e térmica por meio de um sistema motor-gerador, e por fim, uma quarta etapa visa a avaliar uma rede piloto de distribuição de energia elétrica. Objetivo Como mencionado anteriormente, o aproveitamento do biogás de aterro sanitário em uma planta de produção de energia elétrica considera primeiramente a análise do potencial de geração de biogás. Portanto, o presente estudo tem por objetivo avaliar empiricamente o potencial energético do biogás de um aterro sanitário de resíduos sólidos municipais de Santa Catarina (Brasil). Metodologia O aterro sanitário municipal objeto deste estudo localiza-se no Vale do Rio Itajaí, estado de Santa Catarina (Brasil). É administrado por uma empresa privada cujas atividades foram iniciadas no ano de 1993, tendo como meta inicial prestar serviços na área de retirada de resíduos através de contêineres estacionários. Em 1997, foram expandidos os serviços incluindo coleta, transporte, tratamento e destino final de resíduos sólidos urbanos (RSU), resíduos de serviços de saúde (RSS) e alguns resíduos sólidos industriais (RSI), bem como coleta seletiva de lixo doméstico e leito de secagem para limpa fossa. Atualmente, o aterro atende uma demanda de mais de sete municípios da região, recebendo cerca de 600 toneladas diárias de RSU. Segundo Castilhos (2003), a produção teórica de biogás pode ser estimada por meio da formulação de hipóteses sobre a composição química dos resíduos sólidos urbanos e pela aplicação da equação de Buswell para a metanogênese, de forma estequiométrica. No entanto modelos matemáticos foram igualmente desenvolvidos para descrever a produção de biogás em aterros sanitários. Esses modelos são formulados essencialmente sobre técnicas usuais de ajuste de curvas teóricas sobre resultados experimentais. O modelo de estimativa teórica para avaliação do potencial de geração de biogás a ser utilizado neste trabalho é o modelo Landfill Gas Emissions Model (LandGEM), versão Este modelo foi adotado porque, segundo ESMAP (2004), é adequado para a finalidade pretendida e é o modelo mais comumente empregado e aceito nas Américas. Ademais este modelo não apresenta extrema complexidade de aplicação, e é bem aceito por agências e pela

4 comunidade científica. Este modelo foi desenvolvido pela United States Environmental Protection Agency (USEPA), e basicamente trata de uma ferramenta automática de estimativa de geração de biogás. O modelo LandGEM representa uma equação de decaimento de primeira ordem empírica baseado na suposição de que há uma fração constante de material biodegradável no aterro por unidade de tempo, conforme apresentado na Equação 1: Onde: Q(CH 4 ) i : metano produzido no ano i a partir da seção i do resíduo; k: constante de geração de metano; L o : potencial da geração de metano; m i : massa de resíduo despejada no ano i; t i : anos após o fechamento. Q(CH 4 ) i = k L o m i e -kti Equação (1) O modelo LandGEM prevê a produção de biogás ao longo do tempo considerando a geração de biogás constante (k), o potencial de geração de metano (L o ) e os registros históricos de enchimento de resíduos e projeções futuras de resíduos em um aterro. A constante de velocidade de geração de metano (k) representa a taxa de biodegradação de primeira ordem em que o metano é gerado após a deposição dos resíduos. Esta constante é influenciada pelo teor de umidade, a disponibilidade de nutrientes, ph e temperatura (Qian et al., 2002).Valores típicos de k variam de 0,02 para locais secos a 0,07 para locais molhados (USEPA, 1994). Atividades Para este estudo, as informações necessárias (dados de entrada para aplicação do modelo) foram obtidas em campo e por meio de acervo técnico disponibilizado pelos gestores do aterro. Desta forma, considerando os seguintes dados de entrada do aterro, foi possível realizar a aplicação do modelo: abertura em 1997; previsão de encerramento do aterro no ano de 2030, média anual de toneladas de RSU depositadas por ano; potencial de geração de metano (L o ) de 170 m³ (ESMAP, 2004); constante de geração de metano k de 0,55 e concentração média de 55% de metano no biogás. De fato, análises preliminares realizadas em alguns drenos do aterro obtiveram concentrações de CH 4 variando de 53 a 60%. Conforme a Equação 2 e a partir dos resultados obtidos no LandGEM, foi possível avaliar o potencial de geração de energia elétrica durante o período de operação e após o encerramento do aterro, a partir do ano de 2015: Onde: E disp = energia disponível (kw/h); Q x : vazão de metano a cada ano (m³ CH 4 /ano); Pc: poder calorífico do metano (8.500 kcal/m³ch 4 ) e η: eficiência do motor (0,28). Resultados e discussões E disp = [1/8.760] [(Q x Pc (CH4) η)/ ] Equação (2) A aplicação do modelo demonstrou, conforme apresentado na Figura 1, que do ano de 2015 até o ano de 2137, o aterro terá gerado m³ CH 4, tendo como pico máximo o ano de 2031, exatamente um ano após o encerramento do aterro e chegando ao ano 2082, com vazão anual já próxima da vazão de metano gerada no primeiro ano de operação (1998). A partir do encerramento a curva é regida pela constante de decaimento k, referente à degradação da matéria orgânica no tempo. Nota-se que a curva tem um comportamento crescente durante o período em que o aterro recebe os resíduos, pois a cada nova tonelada depositada, soma-se um novo potencial de geração de biogás, a partir da degradação anaeróbia e pelos organismos metanogênicos (Figura 1).

5 Figura 1. Curva de geração de metano (m³/ano). Desta forma, em relação à avaliação da possível geração de energia elétrica através da utilização do metano gerado entre os anos de 2015 e 2082, estima-se que possam ser geradas 4,65 MWh/dia. Este intervalo se deu relacionando o período de implantação da planta de conversão iniciando em 2015 e finalizando em 2082, ou seja, ano em que a geração de biogás seria inferior a do ano de Todavia, quando tomado o limite mínimo de geração de 1 MW como limite viável de geração, foi possível identificar o ano de 2072, onde a partir daí o potencial de energia limitase a menos de 1 MW. Já no ano de 2031, onde serão emitidos m³ CH 4, seria possível gerar 9,97 MWh/dia, equivalente a mais de três vezes a energia gerada por uma CGH de porte grande. Conclusões O presente estudo buscou avaliar empiricamente o potencial energético do biogás de um aterro sanitário de RSU de Santa Catarina (Brasil). Através da utilização do modelo LandGEM para avaliar o potencial de geração de biogás, verificou-se que há condições propícias para geração de energia elétrica. A utilização do biogás para produção de energia fomenta o uso de energias alternativas e renováveis, diversificando a matriz energética regional e brasileira. Ainda, vale ressaltar que 1,0 MW seria o suficiente para suprir o consumo de energia de aproximadamente residências, cuja distribuição poderia ser viabilizada, uma vez que desde abril de 2012 a Resolução Normativa ANEEL nº 482/2012 permitiu a geração própria de energia elétrica a partir de fontes renováveis. Segundo esta resolução, há ainda a possibilidade de distribuição do excedente para a rede de distribuição. Referências Bibliográficas BRASIL. Ministério do Meio Ambiente MMA. (2011). Plano Nacional de Resíduos Sólidos. Ministério do Meio Ambiente. Versão Preliminar para Consulta Pública. p BRASIL. Ministério de Minas e Energia MME. (2007). Plano Nacional de Energia Ministério de Minas e Energia, Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento Energético, Empresa de Pesquisa Energética. Brasília. p Sítio eletrônico: Castilhos Junior, A. B.; Zanta, V. M.; Lange, L. C.; Gomes, L. P.; Pessin, N. (2003). Resíduos sólidos urbanos: aterro sustentável para municípios de pequeno porte. Projeto PROSAB. Rio de Janeiro: ABES. 278 p. Ensinas, A. V. (2003). Estudo da geração de biogás no aterro sanitário Delta em Campinas SP. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, 120 p. Firmo, A. L. B.; Melo, E. S. R. L.; De Guimarães, L. J. D. N.; Valle, G. A. (2010). Avaliação do Potencial de Geração de Biogás dos Componentes dos Resíduos Sólidos Urbanos do Aterro Da Muribeca, p Hnain, A. K.; Cockburn, L. M.; Lefebvre, D. D. (2011). Microbiological processes for waste conversion to bioenergy products: approaches and directions. Environmental Reviews, 19 (March), p IPCC (2007). Climate change 2007: Mitigation. In B. Metz, et al. (Eds.) Contr. Working Group III to the 4th Assess Report of the IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

6 Manna, L.; Zanetti, M. C.; Genon, G. (1999). Modeling biogas production at landfill site. Resources, Conservation and Recycling, 26, p Stern, J. C., J. Chanton, T. Abichou, D. Powelson, L. Yuan, S. Escoriza et J. Bogner. (2007). Use of a biologically active cover to reduce landfill methane emissions and enhance methane oxidation. Waste Management, 27, 9, p Themelis, N. J.; Ulloa, P. A. (2007). Methane generation in landfills. Renewable Energy, 32, p USEPA. (2002). International analysis of methane emissions. Disponível em: USEPA (2013). Municipal Solid Waste Generation, Recycling, and Disposal in the United States: Facts and Figures for United States Environmental Protection Agency. Zago, S. (2003) Potencialidade de produção de energia através do biogás integrada à melhoria ambiental em propriedades rurais com criação intensiva de animais, na região do Meio Oeste Catarinense. Blumenau, Dissertação (Mestrado). Universidade Regional de Blumenau. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. 90 p. Weitz, M.; Coburn, J. B.; Salinas, E. (2008). Estimating national landfill methane emissions: an application of the 2006 Intergovernmental Panel on Climate Change Waste Model in Panama. Journal of the Air & Waste Management Association (1995), 58 (May), p