Energy potential of biogas generated in the landfill in the city of Palmas, Tocantins, Brazil

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1 Energy potential of biogas generated in the landfill in the city of Palmas, Tocantins, Brazil Fabrício Rodrigues Lima 1, Inês Maria de Castro Garção Oliveira¹, Leonardo Alves Lopes¹, Anna Luiza Garção de Oliveira 2, Antônio Pasqualetto²* 1 Faculdade Presidente Antonio Carlos Porto Ltda. 2 Pontifícia Universidade Católica de Goiás. *Autor Correspondente: Pontifícia Universidade Católica de Goiás, Av. Universitária, 1440, setor universitário, Goiânia, GO, Brasil, CEP profpasqualetto@gmail.com ABSTRACT The population increase in the twentieth and twenty-first century is accompanied by production of solid waste on a large scale and have the correct destination, will the landfills meet the specific legislation. in this sense, the final disposal of such waste is important for environmental preservation. Solid waste during the process of decomposition produce gas, especially methane, characterized as enhancing the process of global warming. This work aimed to analyze the energy potential of biogas from the landfill of the city of palmas, tocantins. we used the ipcc - international panel on climate change and the data collected from 2010 to The results showed monthly energy conversion extremely profitable and return on investment in 44 months. Additionally highlight the environmental aspect of proper disposal of biogas, which is one of those responsible for the greenhouse effect. KeyWords: Biogás, Greenhouse effect, Landfill, POTENCIAL ENERGÉTICO DE BIOGÁS GERADO NO ATERRO SANITÁRIO DO MUNICIPIO DE PALMAS, TOCANTINS, BRASIL Resumo O aumento populacional do século XX e XXI é acompanhado por produção de resíduos sólidos em larga escala e se tiverem a destinação correta, irão a aterros sanitários atendendo as legislações específicas. Nesse sentido, a destinação final desses resíduos é importante para preservação ambiental. Os resíduos sólidos durante o processo de decomposição produzem gases, destacando-se o metano, caracterizado como intensificador do processo de aquecimento global. Assim, este trabalho objetivou analisar a potencialidade energética do biogás proveniente do aterro sanitário do município de Palmas, Tocantins. Utilizou-se a metodologia do IPCC International Panel on Climate Change e os dados coletados no período de 2010 a Os Resultados obtidos demonstraram conversão energética mensal extremamente rentável, com retorno de investimento em 44 meses e adicionalmente destaca-se o aspecto ambiental de destinação adequada do Biogás, que é um dos responsáveis pelo efeito estufa. Palabras clave: Aterro Sanitário; Biogás; efeito estufa.

2 Introdução A geração de resíduos sólidos urbanos está intimamente relacionada com o aumento da população urbana, incluindo seus hábitos de consumo. Desta forma, a coleta, o tratamento e a disposição dos resíduos gerados refletem diretamente a qualidade de vida, da água, do solo e do ar, podendo causar sérios problemas ambientais se não forem feitos de forma adequada (Refosco, 2011). O monitoramento continuado das áreas de disposição é necessariamente uma preocupação constante das administrações municipais, na medida em que nessas áreas são gerados efluentes líquidos e gasosos, que causam diversos impactos ambientais locais sobre a saúde e a qualidade de vida do cidadão. Os processos de decomposição da matéria orgânica em aterros de resíduos sólidos urbanos resultam na geração de gases tóxicos que podem vir a afetar diretamente o meio ambiente. Os resíduos, quando adequadamente gerenciados, podem ser aproveitados para diversos fins, como geração de energia elétrica e combustível de automóveis. De acordo com Azevedo e Landim (2008) a geração de energia elétrica utilizando o biogás dos aterros sanitários contribui para diminuir as consequências das mudanças climáticas, já que o gás metano (CH 4 ), produzido pelos resíduos sólidos, é mais nocivo que o gás carbônico (CO 2 ) como contribuinte do efeito estufa. Com isso, projetos de aproveitamento desse recurso são passíveis de comercialização de créditos no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (Santos e Tauchen, 2010). Além disto, pode representar uma redução na demanda de eletricidade da planta de disposição de resíduos e a possibilidade de venda do excedente de energia e dos créditos de carbono. O biogás consiste em um tipo de bioenergia proveniente de uma mistura gasosa produzida pela digestão anaeróbica de substratos orgânicos, realizada por micro-organismos em condições favoráveis de ph e temperatura (Probiogás, 2014). Pode ser obtido de várias maneiras como através de resíduos sólidos urbanos ou agrícolas, excremento de animais e do ser humano. Alessandro Volta 3 descobriu o seu potencial energético no século XVIII e desde então começou a ser produzido em larga escala em biodigestores espalhados pela China e Índia com o intuito de atender às necessidades energéticas, especialmente da zona rural (Barbosa, Teixeira e Batista, 2011). Com a variação da proporção dos gases, dependo do tipo de material orgânico utilizado, é difícil definir a composição do biogás. No entanto, Wereko-Brobby e Hagen (2000) mostram que a composição típica do biogás é cerca de 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de hidrogênio, nitrogênio, amônia, ácido sulfídrico, monóxido de carbono, aminas voláteis e oxigênio. Dependendo da eficiência do processo, influenciado por fatores como carga orgânica, pressão e temperatura durante a fermentação, o biogás pode conter entre 40% e 80% de metano. O gerenciamento de resíduos sólidos consiste num conjunto de procedimentos a fim de minimizar sua produção e proporcionar adequada coleta, armazenamento, tratamento, transporte e destino final, visando à preservação da saúde pública e a qualidade do meio ambiente (Semace, 2014). Neste sentido, objetivou-se avaliar o potencial energético do biogás gerado no aterro sanitário do município de Palmas-TO/Brasil, onde o crescimento populacional e, consequentemente, o aumento da geração de resíduos sólidos destaca-se no Brasil. Material e Método Esta investigação utilizou a metodologia proposta por International Panel on Climate Change (IPCC, 1996), considerada de fácil aplicação para cálculo de emissão de metano a partir de resíduos sólidos para países ou regiões específicas. 3 Físico italiano que descobriu o processo de transformação de energia química em energia elétrica em 1745 (Afonso, 2003).

3 Esse método, que segue a Equação 1, envolve a estimativa da quantidade de carbono orgânico degradável presente no lixo, calculando assim a quantidade de metano que pode ser gerada por determinada quantidade de resíduo depositado, considerando diferentes categorias de resíduos sólidos domésticos. Foram necessários dados estatísticos sobre a população do município de Palmas-TO e sobre os resíduos sólidos urbanos. Equação 1 - Produção de metano gerado [m3ch4/ano]. Os dados a serem utilizados na Equação 1 são: QCH 4 : metano gerado [m 3 CH 4 /ano]; Ppo URB: população urbana [habitantes]; Taxa RSD: taxa de geração de Resíduos Sólidos Domésticos por habitante por ano [kg RSD/habitante.ano]; RSDf: fração de RSD depositada em locais de disposição de resíduos sólidos [adimensional]; L0: potencial de geração de metano do lixo [kg CH 4 /kg RSD]; ρch 4 : massa específica do metano [kg/m 3 ]. Adotou-se o valor de kg/m 3 para a massa específica do metano, adotando-se valores padrão fornecidos por Tabela Periódica. O potencial de geração de metano (L0) representa a produção total de metano (m 3 CH 4 ) por tonelada de Resíduos Sólidos. O valor de L0 é estimado com base no conteúdo de carbono do resíduo, na fração de carbono biodegradável e em um fator de conversão estequiométrica. Valores típicos para esse parâmetro variam de 125 m 3 a 310 m 3 de tonelada CH 4 /tonelada de resíduos. O potencial de geração de metano a partir do lixo (L0) pode ser obtido pela metodologia apresentada em IPCC (1996), que segue a Equação (2). Equação 2 Potencial de geração de metano a partir do lixo. Onde: FCM: fator de correção de metano [adimensional]; COD: carbono orgânico degradável [kg C/kg RSD]; CODf: fração de COD dissociada [adimensional]; F: fração em volume de metano no biogás [%]; (16/12): fator de conversão de carbono em metano [kg CH4/kg C]. O fator de correção de metano (FCM) varia em função do tipo de local e o IPCC define quatro categorias: Aterros Inadequados, conhecidos como lixões, Aterros Controlados, Aterros Adequados (Aterro Sanitário) e Aterros Sem Classificação. Para cada uma das categorias o FCM apresenta um valor diferente, conforme a Tabela 1. Tabela 1 - Valores de FCM. Tipos de local de disposição FCM Lixão 0,4 Aterro Controlado 0,8 Aterros Sanitários 1,0 Locais sem classificação 0,6 Fonte: IPCC, O cálculo da quantidade de carbono orgânico degradável (COD), dado na Tabela 2, segue a equação (3), sendo baseado na composição do lixo e na quantidade de carbono em cada componente da massa de resíduo, conforme IPCC (1996). Tabela 2 - Valores de COD Componente % COD (massa) A) papel e papelão 40 B) resíduos de parques e jardins 17 C) restos de alimentos 15 D) tecidos 40 E) madeira* 30 Fonte: Birgemer e Crutzen (1987)

4 Equação 3 - Quantidade de carbono orgânico degradável. Onde: A: fração de papel e papelão no lixo; B: fração de resíduos de parques e jardins no lixo; C: fração de restos de alimentos no lixo; D: fração de tecidos no lixo; E: fração de madeira no lixo. A fração de COD dissociada (CODf), segundo Birgemer e Crutzen (1987), indica a fração de carbono que é disponível para a decomposição bioquímica, e pode ser obtida pela Equação (4), sendo T: temperatura na zona anaeróbia [ C]. Equação 4 - A fração de COD dissociada. O preço de referência do gás natural foi estabelecido pela Portaria ANP nº 45, de 15 de março de 2000, que é utilizado até os días atuais por não haver novas cotações, como sendo o preço do gás natural na entrada do gasoduto de transporte (PGT), fixado pela Portaria Interministerial (Ministérios de Minas e Energia e da Fazenda), de 17 de fevereiro de A proposta inicial é que a tarifa do biogás seja a mesma tarifa praticada para a venda de gás natural canalizado para o segmento Cogeração de Energia Elétrica destinada à revenda para distribuidor, por se tratar de biogás proveniente de aterro sanitário e este biogás será revendido aos consumidores. Devido o biogás ser mais pobre energeticamente que o gás natural quando comparado seus valores de poder calorífico, a sua tarifa de venda deve ser calculada por uma média ponderada em relação à porcentagem de moléculas de metano, ou em relação ao poder calorífico superior (Cassula et al., 2010). Aplicando a equação específica para biogás, obtém-se o valor da tarifa sugerida para a venda do biogás gerado em ASE (Aterro Snitário Energético ou ETE (Estação de Tratamento de Efluentes), que é de R$ 0,097692, ou 63,2% da tarifa praticada para o gás natural. Resultados e Discussões O aterro sanitário de Palmas, alvo de investigação, recebe diariamente 229 toneladas de RSU/dia, 6.952,549 t/mês, em uma área de aproximadamente 95 ha, segundo a Secretaria de Infraestrutura do município de Palmas (2014). Os cálculos estimados do gás metano gerado no aterro sanitário do município de Palmas consideraram a última estimativa do IBGE (Instituto Brasileiro de Geogrfia Estatística) para número de habitantes, perfazendo um total de habitantes e o total de resíduos produzidos no ano de 2014 da ordem de kg (Secretaria de Infraestrutura do município de Palmas, 2014). Os dados foram dispostos em Tabela (3), sistematizando a fração de resíduos sólidos de uso domiciliar depositados em aterro, totalizando 100% dos RSDf. Tabela 3 - Principais dados para efetuar os cálculos. PopURB RSD Taxa RSD RSDf ρch habitantes kg/ano 298,52 kg 0,95 0,740 kg/m 3 Fonte: Adaptado da Secretaria de infraestrutura do município de Palmas, 2014 Para o cálculo do potencial de geração de metano do lixo (Tabela 3), obteve-se FCM = 1, no caso de aterros sanitários. Para o valor do carbono orgânico degradável (COD) substituindo os valores na Equação 3 obteve-se o COD = [kg C/kg RSD]. Para a fração de COD dissociada (CODf), substituindo os valores na Equação 4 obteve-se o CODf = 0,77. A fração em volume de metano no biogás (F) pode ser obtida a partir de medições no local. Nesta avaliação foi adotado o valor de 55% de metano (CH4) no biogás, com pouca diluição de ar. Portanto, F = 0.55.

5 Após o conhecimento dos valores calculados de FCM, COD, CODf e F, e utilizando-se a Equação 2 obteve-se o potencial de geração de metano do resíduo (L0) igual a [kg CH 4 /kg RSD]. Por último, obteve-se o valor do volume de metano gerado anualmente através da Equação 1, onde: QCH 4 = m³ch 4 /ano. Sabe-se que somente parte do biogás gerado é recuperado, para este caso considera-se índice de recuperação igual a 75%. Dessa maneira, o volume de metano produzido anualmente foi de m 3. Realizou-se cálculos que forneceram a vazão diária e mensal, respectivamente: ,75 m³ CH 4 /dia e ,73 m³ CH 4 /mês. A análise de viabilidade econômica realizou-se de acordo com o IPCC (1996), considerando o poder calorífico superior do biogás igual a 5.5 kwh/m 3 (Brasil, 2004) e utilizando a tarifa praticada para venda do biogás gerado de R$ /m3, ou 52.4% da tarifa de venda do gás natural. Analisando-se o potencial de energia elétrica do aterro em questão ressalta-se alguns dados, tais como o rendimento de motor (30%) e do gerador (90%). Esses dados foram obtidos no Manual de Especificações técnicas do motor (MWM X-12 6 cilindros) e do gerador (Marca WEG) escolhido aleatoriamente e que supostamente seria utilizado no aterro. Sabe-se que o aterro possui vazão mensal de ,73 m³ch 4 /mês, ou kwh. Assim, o valor da produção energética será de 751,53 kwh, considerando o PCS de 5,5 kwh e o fator de correção igual a O valor da tarifa da energia elétrica utilizado foi de R$ 0,43728, conforme a Resolução Homologatória Nº 1858 Publicada em 02/03/2015 (ANEEL, 2015), dessa forma a receita diária do aterro sanitário foi estimada em R$7.887,10. A receita mensal corresponde a R$ ,91, considerando o volume de biogás de ,73 m³ch 4 /mês. A análise da viabilidade econômica foi realizada de acordo com o trabalho de Engebio (2009, p.49), onde o investimento estimado para o sistema de captura e queima do biogás inclui sistemas de captação e recobrimento, gerador, montagem e infraestrutura, e projetos com certificação, teria gasto inicial de R$ ,00. A receita mensal do aterro sanitário de Palmas foi estimada em R$ ,91, dessa maneira o investimento seria pago em 44 meses, tendo em vista que normalmente a vida útil do aterro é de 180 meses. Conclusões Através da análise dos dados para a geração de biogás do aterro sanitário do município de Palmas, entre os anos de 2010 e 2014, calculou-se que o volume de metano produzido anualmente seria de metros cúbicos, onde a vazão diária corresponde a ,75 m³ch4 e a mensal possui uma vazão de ,73 m³ch4. A conversão energética mensal do aterro é de R$ ,91. Sabendo-se que o custo de implantação sistema de captura e queima do biogás teria um gasto inicial de R$ ,00 conclui-se que esse investimento seria pago em 44 meses demostrando a viabilidade econômica do aterro sanitário de Palmas para o aproveitamento de biogás. Além da vantagem econômica, destaca-se o aspecto ambiental de destinação adequada do Biogás, especialmente do metano, que é um dos responsáveis pela potencialização do efeito estufa na Terra. Referências bibliográficas ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em: < Acesso em: 18 abr Afonso, J. C. Processamento da pasta eletrônica de pilhas usadas. Química Nova Nota Técnica v. 26, n. 4, p Departamento de Química Analítica, Universidade Federal do Rio de Janeiro Azevedo, A. L. P. F.; Landim, L. P. O aproveitamento energético do biogás em aterros sanitários: unindo o inútil ao sustentável. BNDES Setorial, Rio de Janeiro, n. 27, p , mar

6 Barbosa, B. L. M; Teixeira, l. D.; Batista, S. S. Bioenergia: história e sustentabilidade, Disponível em:<portal.ifrn.edu.br/ifrn/pesquisa/editora/livros-para.../vi.../arquivo>. Acesso em: 12 out Bingemer, H. G.; Crutzen, P.J. The production of methane from solid wastes. Jornal of Geophysical Research. Atmospheres Brasil. MMA Ministério do Meio Ambiente. Disponível em:< >. Acesso em: 02 out Casulla, A. M; Godoy Junior, E.; Silveira, J. L. Proposta de precificação do biogás proveniente de aterro sanitário e estação de esgoto que atuam como agentes autoprodutores Disponível em:< Acesso em: 13 out IPCC Intergovernamental Panel Climete Change. Acesso em: 15 de Dezembro de Disponível em: Probiogás. Transformando resíduos em energia Geração de biogás a partir de resíduos orgânicos. Disponível em: < Acesso em: 12 out Refosco, D. Utilização de resíduos da suinocultura para produção de energia através do biogás e fertilizantes orgânicos estudo de caso: Granja Marmentini - Dois Vizinhos PR Dissertação. Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologia PRODETEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento LACTEC. Instituto de Engenharia do Paraná IEP. 71p. Santos, L. O.; Tauchen, J. A. Uso do biogás proveniente de um aterro sanitário para geração de energia elétrica: Estudo de caso do aterro municipal de Cascavel PR Disponível em:< /2010_biogas_aterro_cascavel.pdf>. Acesso: 24 abr Semace. Gerenciamento dos Resíduos Sólidos (standby). Disponível em: < Acesso em: 02 out Wereko-Brobby, C. Y., Hagen, E.B. Biomass conversion and technology. New York: Editora John Wiley & Sons p