ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA, ECONÔMICA E AMBIENTAL DE UTILIZAÇÃO DE BIODIGESTORES EM UMA FAZENDA NO RECREIO DOS BANDEIRANTES, RIO DE JANEIRO.

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1 ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA, ECONÔMICA E AMBIENTAL DE UTILIZAÇÃO DE BIODIGESTORES EM UMA FAZENDA NO RECREIO DOS BANDEIRANTES, RIO DE JANEIRO. SILVIO CARLOS ANIBAL DE ALMEIDA 1 silvioa@gmail.com VIGNICIUS CURI DE FRANÇA airninho@hotmail.com LEONARDO MAURO JUNIOR 2 leonardomauro@terra.com.br 1 UFRJ- Universidade Federal do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Mecânica. Cidade Universitária, Centro de Tecnologia, Bloco G, sala 204 Ilha do Fundão. Rio de Janeiro/RJ Brasil - CEP: Tel. (21) Auto Mecânica Arapongas R. Viana Drumond, 48. Vila Isabel. Rio de Janeiro/RJ Brasil Brasil - CEP: Tel. (21) Resumo O presente trabalho faz uma análise de viabilidade técnica, econômica e ambiental para geração de energia elétrica e tratamento de resíduos em uma fazenda no Recreio dos Bandeirantes, Rio de Janeiro. Um sistema de produção de biogás proveniente de resíduos suínos foi proposto e dimensionado. Concluiu-se que os benefícios advindos do biogás para o uso nas instalações da fazenda apresentaram vantagem comparativa em relação ao uso de fontes convencionais, como energia elétrica e GLP. Palavras chave: fontes alternativas de energia, biogás, bioenergia Abstract A techno-economic analysis of producing biogas for electric power generation is done in the present paper. A biogas production system from pig waste was proposed and designed in a farm in Recreio dos Bandeirantes, Rio de Janeiro. One of the conclusions of this study is the economic advantage of utilizing biogas for power generation rather than other fuels like LPG or purchasing electricity from grid Keywords: alternative energy, biogas, bioenergy. 1 - Introdução Embora o Brasil apresente potencial de aumento de geração de energia hidráulica, a recente incerteza relacionada ao regime hidrológico justifica a procura de novas fontes de energia. Em curto prazo, as termelétricas a gás natural deverão injetar uma grande quantidade de energia no sistema nos próximos anos, mas o crescimento sustentável exige a valorização

2 de fontes de energia renováveis e menos poluidoras: a geração de energia a partir de bagaço de cana, lixo e esgoto, conforme previsto no Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa, 2005). O processo de biodigestão anaeróbica é uma das alternativas utilizadas para o tratamento de resíduos, pois reduz o potencial de contaminação, produz biogás e permite o uso dos dejetos como biofertilizante. A utilização do biogás proveniente de lixo e dejetos sanitários como insumo para produção de energia representa grande benefício socioambiental. Esse tipo de projeto proporciona vantagens, principalmente para os grandes centros urbanos, devido à redução de emissões de poluentes, como o metano, gás de grande impacto no efeito estufa e que, em média, corresponde a 50% do volume do biogás. O presente projeto analisa a viabilidade econômica de utilização de dejetos da suinocultura de uma fazenda localizada no Recreio dos Bandeirantes, no município do Rio de Janeiro, para produção de biogás e algumas aplicações. É feito um estudo de caso, detalhando o dimensionamento de biodigestores e os respectivos custos em função do em função do número de animais criados no local. 2 Biogás O biogás utilizado como combustível é uma mistura gasosa resultante da fermentação anaeróbica de matéria orgânica, que pode ser encontrada em resíduos animais e vegetais, lodo, esgoto, lixo e efluentes industriais (GASPAR, 2003; BURANI et al, 2005; COELHO et al, 2006; COSTA, 2006). É constituído principalmente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), além de outros componentes, conforme se observa na Tabela 1. TABELA 1 - Composição típica do biogás. Gás Símbolo Concentração no biogás (%) Metano CH Dióxido de Carbono CO Hidrogênio H Nitrogênio N 2 0,5-3 Gás Sulfídrico e Outros H 2S, CO, NH Fonte: La Farge, O poder calorífico do biogás varia de acordo com a concentração de metano, que por sua vez depende das características do resíduo utilizado e das condições de funcionamento do processo de digestão. A utilização do biogás como fonte de energia se deve fundamentalmente ao metano (CH4), quando puro em condições normais (PTN) de pressão (1 atm) e temperatura (0 ), tem um poder calorífico inferior (PCI) de 9,9 kwh/m³. O biogás com um teor de metano entre 50 e 80% terá um poder calorífico inferior entre 4,95 e 7,92 kwh/m³. O biogás altamente purificado pode chegar a kcal/m³. Assim, 1 m³ de biogás equivale em média a: 0,613 litros de gasolina 0,579 litros de querosene

3 0,553 litros de óleo diesel 0,454 litros de GLP 0,790 litros de álcool hidratado 1,536 kg de lenha 1,428 kw de energia elétrica Fonte: Sganzerla, Produção de Biogás na Suinocultura Os sistemas de confinamento de suínos geram um considerável volume diário de dejetos, que são compostos orgânicos de alto teor energético, ricos em matéria orgânica. Estes dejetos são freqüentemente utilizados como fontes de adubação de plantações, porém, quando aplicados sem tratamento aumentam o potencial de poluição do meio ambiente. A produção de biogás, utilizando-se resíduos da suinocultura, é realizada através de biodigestores (reatores anaeróbios), onde os dejetos são geralmente diluídos com água de lavagem, formando assim o chorume, quantificado em 72 litros por dia/cabeça de suíno e com uma Demanda Química de Oxigênio de 33 g/litro (CCE, 2000). A Demanda Química de Oxigênio (DQO) é utilizada para estimar a produção teórica de metano, Potencial Bioquímico do Metano Bmp em processos anaeróbios (Owen, 1979). Segundo Speece (1996) e CCE (2000) a produção teórica de metano assume sempre um valor fixo, expresso em função da DQO, onde 1 kg de DQO convertido corresponde a 0,35 m³ de metano (CH4). A conversão do chorume em biogás leva em consideração a biodegradabilidade da matéria orgânica (75%), a eficiência de conversão no biodigestor (85%) e a fração de matéria orgânica utilizada pelas bactérias no seu próprio crescimento (5%). Um suíno tem uma produção de 72 litros/dia, o que corresponde a uma carga orgânica de 2,376 kg de DQO. Considerando-se as eficiências do processo (60,5%), a produção de metano em função da carga orgânica seria da ordem de 0,504 m³/cabeça dia, sendo portanto a produção de biogás de 0,504/0,65 = 0,775 m³ de biogás/cabeça de suíno/dia. As propriedades de suinocultura variam de pequenas propriedades, com capacidade de 100 matrizes, até grandes propriedades, com mais de matrizes. Isso influi no volume de biogás produzido, dado que o índice teórico de produção de resíduo (chorume) é em média de 72 litros/dia.cabeça, resultando em 0,775 m³ de biogás/cabeça de suíno dia. Uma propriedade com 100 matrizes produz litros/dia de chorume e 77,5 m³/dia de biogás por matriz. Com isso, foi possível estimar a produção de biogás em função da capacidade de produção de uma propriedade rural de matrizes. Uma das formas utilizadas para melhoria do aproveitamento do biogás consiste em eliminar de sua composição substâncias corrosivas, como o ácido sulfídrico e que reduzam o poder calorífico, como o CO2 (dióxido de carbono). 4 - Dimensionamento do Biodigestor Segundo Ortolani ET AL. (1991), para o dimensionamento de biodigestores devemos ter cuidado em armazenar o biogás para que na hora de pico seja suficiente para permitir o funcionamento de todos os aparelhos, para isso é necessário conhecer o valor a ser consumido de biogás. Este valor é encontrado através da soma do consumo de todos os aparelhos e o tempo utilizado durante 24 horas do dia. Para fins desse projeto vamos utilizar uma planilha elaborada em Excel para determinar o volume do biodigestor necessário para armazenar o biogás. Sabendo que cada cabeça produz em media 72 litros/dia de resíduo (chorume) que resultam em cerca de 0,775 m³ de biogás/cabeça de suíno.

4 Dessa forma é possível calcular o volume do biodigestor, para fins de calculo vai ser adotado um rebanho com 100 cabeças de suíno. A tabela 2 apresenta o total de biogás gerado, levando em consideração a produção média por cabeça e a eficiência ao longo do processo da biodigestão. Tabela 2: Planilha de cálculo do volume do biodigestor Produção de biogás/cabeça Produção de chorume/cabeça Volume de Biogás 0,775 m³/dia 72 Litros/dia Fazenda Numero de Cabeças Volume de Chorume (L/Dia) Volume de Biogás (m³/dia) A ,50 A partir do volume de biogás produzido podemos determinar o biodigestor que será utilizado e suas respectivas dimensões. Nesse trabalho utilizaremos um Biodigestor Modelo Canadense que é composto por uma manta plástica de PVC flexível, obtida por processo de calandragem, em cor preta ou branca. Esse biodigestor é confeccionado com dimensões variadas e garante uma boa resistência e durabilidade, boa flexibilidade, que facilita o transporte, é mais barato que o biodigestor de alvenaria, as soldas são feitas pelo fabricante garantindo sua eficácia e durabilidade, além de ser detentor de avançada tecnologia de ambiência. A caixa de entrada poderá ser um tonel plástico, ou tanque de alvenaria, dependendo da carga diária de dejetos. Todavia não é recomendada a utilização de tonéis metálicos, pois enferrujam rapidamente. A caixa de saída deve ser dimensionada com no mínimo três vezes o volume da carga diária para permitir armazenamento do biofertilizante. A escavação é realizada conforme os cálculos do dimensionamento abaixo (Figura 1). Não é necessário revestimento em alvenaria, mas pode ser utilizado objetivando a perfeita colocação e manutenção da manta. Figura 1: Planta de topo da escavação e dimensionamento da manta. Tabela 3: Dimensionamento do Biodigestor de acordo com o volume

5 Volume Profundidade (m³) (m) C1(m) Largura L1(m) C2(m) Largura L2(m) 3,0 1,0 3,5 1,2 3,0 0,7 7,0 1,0 6,0 2,0 4,8 0,8 15,0 1,4 7,0 2,5 5,5 1,0 20,0 1,5 8,0 3,0 6,0 1,0 30,0 1,5 10,0 3,5 8,0 1,5 100,0 2,0 15,0 5,0 13,0 3,0 200,0 2,5 19,0 6,0 16,0 4,0 300,0 3,0 21,0 7,0 18,0 5,0 5 Relação de Material Necessário para Construção de um Biodigestor - Tonel de plástico para caixa de entrada (volume igual ao volume da carga diária) - Manta plástica de revestimento PVC flexível 0,8 mm - Manta plástica de cobertura PVC flexível 1,0 mm - Tubulação PVC 150 mm para esgoto (branca), entrada de dejetos e saída de biofertilizante - Tubulações e conexões PVC 40,0 mm para água (marrom) e condução do biogás - Caixa de alvenaria ou fibra para armazenamento de biofertilizante. Proporcionalmente, o maior custo do biodigestor é representado pela aquisição da manta, de 1 mm de espessura, para revestimento do tanque e do gasômetro. Seu preço depende da área total conforme tabela 4. Tabela 4: Área total e preço da manta de PVC flexível Modelo Área Preço (R$) Volume (m³) Total (m²) , , , , , , , ,00 6 Estudo de Caso: Construção de um Biodigestor numa fazenda de suínos A partir da Tabela 2 e da análise das dimensões e dos parâmetros envolvido na construção de um Biodigestor Modelo Canadense (Tabela 3) é possível estimar as dimensões do biodigestor para uma fazenda localizada no Recreio dos Bandeirantes, no município do Rio de Janeiro, especializada na criação de suínos. Para fins desse projeto vamos considerar um Biodigestor Modelo Canadense e a divisão do rebanho em três partes A, B e C. Sendo essa divisão do rebanho em 100, 500 e 1000 cabeças de suínos respectivamente. Utilizando a Tabela 2 pode-se determinar o volume de biogás (V) para os três rebanhos A, B e C.

6 Tabela 5: Cálculo do volume do biodigestor para três fazendas Fazenda Numero de Cabeças Volume de Chorume (L/Dia) Volume de Biogás (m³/dia) A ,50 B ,50 C ,00 A partir do volume do biogás encontrado acima e os parâmetros envolvidos é possível avaliar as dimensões na construção do biodigestor através da tabela 3. Observe que para um volume muito grande do biodigestor é razoável a instalação de mais de um biodigestor para evitar a necessidade de uma obra muito grande e uma escavação muito profunda do solo, que algumas vezes não é favorável. A partir da tabela 5 determina-se que para um rebanho com 100 cabeças de suíno é necessário um biodigestor com 77,50 m³, para um rebanho com 500 cabeças é necessários um biodigestor com 387,50 m³ e para um rebanho com 1000 cabeças é necessários um biodigestor com 775,00 m³. A partir daí com a ajuda da Tabela 3 podemos determinar qual modelo deve ser usado e se haverá necessidade de utilizar mais de um biodigestor. Para o rebanho A apenas um biodigestor Modelo (100) é suficiente, para o rebanho B são necessários dois biodigestores Modelo (200) e para o rebanho C são necessários dois biodigestores Modelo (300) e um Modelo (200). 7 - Aspectos Econômicos na Construção do Biodigestor O custo na construção do Biodigestor Modelo Canadense é relativamente baixo. A parte de obra civil é praticamente desprezível em comparação com os Biodigestores feitos de alvenaria e esses gastos são exclusivamente com a escavação. Os custos principais estão concentrados na Vinimanta. Então, a partir da tabela 4 conclui-se que para o rebanho A os gastos estariam em torno de R$ 5.146,00, para o rebanho B seria de R$ ,00 e para o rebanho C chegaria a R$ , Resultados e Discussões Baseado nos custos de construção do biodigestor com 77,50 m³ é possível analisar os resultados e avaliar a viabilidade do projeto. Para o biogás com destino ao consumo doméstico, verificou-se que o biodigestor construído tem capacidade de fornecimento de energia contínua de 77,50 m3 de biogás (Rebanho A 100 cabeças) por dia, suficiente para o abastecimento de quinze domicílios. Esses resultados foram obtidos a partir do dimensionamento do biodigestor, do consumo médio das diferentes fontes de energia nos domicílios analisados e uma carga composta de esterco suíno. Uma aplicação do biogás é a substituição do GLP na cocção de alimentos. Verificouse que cada domicílio utiliza, em média, 1 botijão por mês, sendo utilizados 12 botijões ao ano. Ao custo de R$ 30,00 por botijão, em cada domicílio, verifica-se economia de custos de R$ 360,00 por ano. Outra utilização para o biogás é o aquecimento de água para banhos. Verifica-se que o chuveiro elétrico apresenta consumo de 5,40 kwh, sendo utilizadas 243,33 horas por ano, totalizando um consumo de 1.314,00 kwh por ano em cada domicílio, com aquecimento de água para banho. A uma tarifa de energia elétrica estimada de R$ 0,26 por kwh, para cada domicílio é gerada economia anual no uso do chuveiro de R$ 341,64 por ano. Foi substituído um ponto de iluminação interno com uma lâmpada incandescente de 100 watts, utilizada durante quatro horas por dia. Nessas condições, o consumo anual é de

7 146,00 kwh. A uma tarifa de R$ 0,26 por kwh, totaliza-se economia anual para cada domicílio de R$ 37,96. A tabela 5 mostra os custos evitados em cada uma das aplicações descritas acima. O cálculo da economia de energia é feito por domicílio e para um conjunto de 15 domicílios que podem ser atendidos pelo biodigestor. Verificou-se que o investimento necessário para a produção de 77,50 m3 diários é de R$ 66,40 por m3. Esse custo é relativamente elevado, comparando-se a biodigestores de maior porte (1.500 m3 diários), o que pode ser explicado pela redução de custos em função do aumento da escala. O biofertilizante, a partir de análises realizadas, apresentou as seguintes concentrações de macronutrientes: nitrogênio (1,60 g L-1), fósforo (0,52 g L-1) e potássio (0,45 g L-1). A produção anual do biofertilizante para o biodigestor estudado gera um ganho adicional anual de R$ 2.217,00, sem descontar os custos de aplicação, que podem ser maiores que os custos da aplicação mineral. Tabela 5. Análise do consumo e custos Itens de consumo Consumo annual Um Domicilio Consumo annual Quinze Domicilios Preço/Unidade (R$) Total para um domicilio (R$/ano) Total para Quinze domicilios (R$/ano) Botijoes de Gas (un) ,00 360, ,00 Aquecimento de agua (KWh) ,26 341, ,60 Iluminacao (KWh) ,26 37,96 569,40 Total 739, ,00 Os resultados indicam que os benefícios advindos do biogás para o uso domiciliar apresentaram vantagem comparativa em relação ao uso de fontes convencionais, como energia elétrica e GLP. As economias de energia do sistema resultaram em R$ ,00 por ano frente aos custos totais. Nessas condições, verificou-se que o equipamento utilizado para os domicílios pode ser amortizado num prazo de aproximadamente 6 meses sem contar a economia de gastos com fertilizantes. 8 - Referências Bibliográficas BARRERA, P. Biodigestores: energia, fertilidade e saneamento para a zona rural. São Paulo: Ícone, p. BENINCASA, M. ; ORTOLANI, A.F. ; JUNIOR, J.L. Biodigestores convencionais. Jaboticabal: Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Universidade Paulista, p. FLORENTINO, H.O. Mathematical tool size rural digesters. Scientia Agrícola, Piracicaba, v.60, n.1, p , GASPAR, R.M.B.L. Utilização de biodigestores em pequenas e médias propriedades rurais com ênfase na agregação de valor: um estudo de caso na região de Toledo - PR f. Dissertação (Mestrado em Planejamento e Estratégia Organizacional) - Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, LASLOWSKI, M. Avaliação ambiental e econômica do biogás, obtido através da biodigestão anaeróbia dos dejetos da suinocultura f. Monografia (Trabalho de Graduação em Agronomia) - Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, NOGUEIRA, E. Análise de investimentos In: BATALHA, M.O. Gestão Agroindustrial. 3.ed. São Paulo: Atlas, p.

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