Rodrigo Legrazie de Faria - A GERAÇÃO DE ENERGIA PELA

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1 Ano 02 Rodrigo Legrazie de FARIA n. 03 A GERAÇÃO DE ENERGIA PELA BIODIGESTÃO ANAERÓBICA DE EFLUENTES: O CASO DA SUINOCULTURA p Instituto de Engenharia Arquitetura e Design INSEAD Centro Universitário Nossa Senhora do Patrocínio CEUNSP Salto-SP 1

2 Prof Eng Agr Msc Rodrigo Legrazie de Faria - Centro Universitário Nossa Senhora do Patrocínio. Professor e Coordenador de Engenharia Ambiental. rodrigolegrazie@ig.com.br RESUMO O presente artigo esboça uma preocupação de mitigar os impactos ambientais, externalidades, gerados pela suinocultura brasileira, além de gerar uma importante solução estratégica e sustentável para a cogeração de energia, às pequenas e médias propriedades rurais, por meio da digestão anaeróbica (biodigestores) dos efluentes de suínos, criados em sistema intensivo de produção. O presente artigo utilizar-se-á de um estudo bibliográfico exploratório bibliográfico. Palavras-chave: Suinocultura. Biodigestão. Energia e Sustentabilidade. 1- Introdução O espaço rural brasileiro vem sendo profundamente transformado, a partir da Revolução Verde, momento esse responsável pela modernização no modelo de gestão e produção das empresas rurais, voltadas à criação e cultivo de vegetais. Isso se deve aos avanços na área da química, genética, nutrição, manejo, biotecnologia, máquinas agrícolas e o desenvolvimento de pesquisas criando o que chamamos de Complexo Agroindustrial composto por três atores sociais: a jusante, unidade de produção agropecuária e a montante. Dentre as atividades econômicas que mais se modernizaram está a cadeia da carne suína, que por sua vez é a fonte de proteína animal mais importante no mundo, onde o Brasil se configura como um grande produtor e exportador. Diante desse novo cenário, a suinocultura brasileira atravessa uma fase de expansão e também de grandes desafios, o de conciliar produtividade, qualidade, responsabilidade socioambiental, 28

3 além de assumir uma nova vocação: a produção de energia, a partir do emprego de recursos naturais como água, terra, sol e vento, ou utilizando-se da biomassa oriunda dos efluentes gerados pela própria atividade. Mediante a essa transformações e grandes impactos socioambientais gerados por essa atividade, o presente artigo tem como objeto de estudo, retratar a biodigestão anaeróbica dos efluentes suínos, como um processo capaz de garantir a autosustentabilidade energética (cogeração), diminuir a poluição nos biomas, melhorar a questão sanitária das instalações e propiciar vantagens econômicas com práticas sustentáveis (ativo ambiental). Utilizar-se-á para tal de uma metodologia de exploração bibliográfica associada com a experiência de campo do autor do tema em questão O governo brasileiro vem criando nos últimos anos alguns programas de fomento, incentivo não só ao uso mais eficiente da energia de vários setores econômicos, mas principalmente na criação de uma diversidade de fontes energéticas renováveis, capaz de propiciar um desenvolvimento mais sustentável no espaço rural, visto que nossa matriz energética é altamente dependente do comportamento dos recursos hídricos. Esse esforço iniciou-se com o Plano Nacional de Agroenergia (2006/2011), apresentando como objetivos: o desenvolvimento e transferência de conhecimentos para a produção agropecuária mais sustentável, aumentar a produtividade animal e vegetal, fomentar a utilização da energia renovável, expandir a agricultura voltada à produção energética (biomassa e biocombustíveis), agregação de valor, geração de empregos no campo, reduzir as emissões de gases do efeito estufa e por fim diminuir a dependência dos combustíveis fósseis. Para Bermann (2001) o Brasil destaca-se, em quinto lugar, na produção de energia renovável por apresentar uma matriz energética mais limpa, com alta participação de fontes renováveis, que representaram cerca de 43,3% em 1999 e hoje representam cerca de 45,4% da oferta interna de energia1, todavia 74% dessa matriz está baseada essencialmente na geração hidrelétrica. Para o autor, o Brasil é um dos poucos países do mundo que conta com condições privilegiadas para o cultivo de biomassa, visando a geração de energia. Em que o biogás, a partir dos dejetos rurais, se apresenta como uma importante alternativa energética e de 1 Dados obtidos da Revista Análise Energia; 3º ed, 2010 p

4 minimização dos impactos ambientais, que certamente deverá crescer na matriz energética renovável. Segundo Lopez (2010), o Brasil vem se configurando como uma potência na produção de energia limpa, pois vem se modernizando e investindo em pesquisas e tecnologias, avanços das políticas públicas no sentido de: diversificação de fontes energéticas, atração investidores, fabricantes de equipamentos e projetistas de tecnologias visando à maximização da eficiência energética no espaço rural e urbano. De acordo com Gliessman (2001), a modernização das atividades rurais das últimas décadas tem se fundamentado em um processo de colocação de quantidades cada vez maiores de energia na agricultura e pecuária, para aumentar o rendimento. Grande parte desse aporte energético empregado em toda a cadeia vem, diretamente ou indiretamente, de combustíveis fósseis não renováveis além do fato de que investimos muito mais energia e recursos naturais do que conseguimos de volta com esse alimento. Uma vez que boa parte dos alimentos consumidos pelos países desenvolvidos é oriunda de biomassa animal, a partir de uma gama de vegetais, o que equivale a uma ínfima eficiência energética de 0,085 até 5%, nos modelos de produções mais eficientes e sustentáveis. A suinocultura brasileira vem sofrendo mudanças significativas, por todo seu complexo industrial, tanto do ponto de vista qualitativo como de produtividade, visando principalmente o abastecimento do mercado externo com uma carne de qualidade, preço competitivo, socialmente justa e ecologicamente correta. Todavia a presente atividade zootécnica apresenta um grande potencial de externalidades aos ecossistemas e à saúde pública, principalmente no que tange a questão dos efluentes e o alto consumo energético na produção de carne, proveniente de fontes não renováveis, gerando a necessidade por parte dos produtores rurais em atuarem conforme as legislações ambientais e normas vigentes das grandes organizações do complexo agroindustrial da carne suína, no que tange à busca de soluções estratégicas para a mitigação dos impactos negativos, diminuição dos custos de produção e a cogeração energética no espaço rural. 30

5 2- A produção de Biogás e suas características O biogás pode ser definido como um hidrocarboneto, inodor e altamente combustível, resultado do processo microbiológico de digestão anaeróbica de dejetos vegetais, animais, lixo e resíduos industriais. Todavia o presente artigo debruçar-se-á na produção de metano a partir de dejetos suínos. O teor de gases gerados pelos biodigestores podem variar, mediante vários fatores, no entanto estima-se que 55% a 65% do biogás é formado pelo metano. Segundo Teixeira (2001) 0,70 m3 de biogás é equivalente a 1 KWh de energia elétrica e apresenta um poder calorífico entre 5000 a 6000 Kcal/m3, porém pode ultrapassar o patamar dos Kcal por metro cúbico uma vez eliminado todo o gás carbônico da mistura. A equivalência energética do biogás em relação a outros energéticos é determinada levando em conta o poder calorífico e a eficiência média de combustão. A tabela 1, abaixo, mostra a relação entre biogás e outros energéticos, em termos de equivalência energética, segundo três fontes pesquisadas e citadas por Coldebell (2008). 31

6 Tabela1- Equivalência Energética Equivalência energética FERRAZ SGANZERL NOGUEIR SANTO do biogás comparado a & A (1983) A (1986) S (2000) outras fontes de energia ENERGÉTICO MARIEL (1980) Gasolina (L) 0,61 0,613 0,61 0,6 Querosene(L) 0,58 0,579 0,62 - Diesel (L) 0,55 0,553 0,55 0,6 GLP (kg) 0,45 0,454 1,43 - Álcool (L) - 0,79 0,80 - Carvão M. (kg) - 0,735 0,74 - Lenha (kg) - 1,538 3,5 1,6 Eletricidade (kwh) 1,43 1,428-6,5 Fonte: Coldebell; et al (2008). Todo esse processo de digestão anaeróbica desencadeia em três fases, de acordo com o fluxograma abaixo, ocasionando deslocamento físico e transformações biológicas e químicas. A primeira fase é marcada pelas transformações de substâncias complexas em simples (hidrólise) pela atuação das bactérias aeróbicas e microaeróbica que irão decompor carbohidratos, gorduras e proteínas em matéria orgânica solúvel. Na segunda fase, boa parte dessa matéria orgânica servirá como meio de cultura às bactérias saprófitas (facultativas), que liberaram vários ácidos e produtos de degradação intermediária (CO 2 e água), chamada de fase acidogênica. Por último a fase metanogênica, que transformará esses ácidos, principalmente o ácido acético em: H 2 S, H 2 O, NH 3 e CH 4. Por sua vez, essa fase exige intenso cuidado, pois as bactérias metanogênicas podem ser afetadas por inúmeros fatores, diminuindo sensivelmente a produção de gás e a diminuição de DQO e DBO. 32

7 POLÍMEROS ORGÂNICOS (Amido, Celulose, Proteína, Gordura) FASE DE HIDRÓLISE (EXTRACELULAR) COMPOSTOS DE CADEIA CURTA E POLÍMEROS SOLÚVEIS (Açucares, Aminoácidos, Ácido graxos) FASE DE ACIDIFICAÇÃO H 2 CO 2 ÁC ACÉTICO ÁCIDOS ORGÂNICOS ÁLCOOIS FASE ACETOGÊNICA H 2 CO 2 ÁC ACÉTICO FASE METANOGÊNICA METANO Figura 1: Processo de digestão anaeróbica 33

8 Dentre os fatores estão: Tipos de Resíduos: Quanto maior a porção de sólidos voláteis dos efluentes, maior será a produção de biogás. Os dejetos de animais monogástricos (suínos e aves) produzem mais gases quando comparados com os ruminantes, já que esses apresentam no rumem um processo primário, natural de metanogênese. Relação carbono/nitrogênio: De acordo com os estudos de Prakasan (1989), a relação de carbono para nitrogênio ideal para a maior produção de gás metano está na faixa de 20 a 30 partes de carbono para uma de nitrogênio. Os efluentes suínos, segundo o autor, apresentam em média 20 C/N, 3,8% do peso seco em nitrogênio, 18% de média de sólidos totais (ST) e 94% de sólidos voláteis em relação aos sólidos totais. Temperatura: Cada fase do processo de digestão anaeróbica se desenvolve melhor em uma determinada faixa de temperatura. Estudos mostram que a faixa mesofílica (30º a 35º) vem se mostrando ideal para a maior produção de biogás e na diminuição do tempo de retenção nos biodigestores de fluxo contínuo (geralmente de 20 a 30 dias). Grande parte dos biodigestores são planejados de maneira subterrânea a fim de evitar as drásticas diferenças de temperaturas durante o ano. Existem estudos mostrando que o aquecimento dos efluentes e a agitação mecânica pode também contribuir para a eficiência energética, todavia ainda se tem poucos estudos sobre o rendimento e viabilidade econômica, principalmente quando se volta aos pequenos e médios criadores de suínos. ph: O ideal é a faixa entre 6,0 e 8,0, todavia no início do processo de digestão anaeróbica é comum que a solução fique ácida em virtude da presença das bactérias acidogênicas, onde há a produção de dióxido de carbono e alguns ácidos. Com a fase metanogênica esse hidrogênio se converterá em gás metano e outros compostos, tornando o meio neutro. Materiais tóxicos: A presença de algumas substâncias orgânicas, químicas e/ou físicas pode comprometer o potencial biótico das bactérias responsáveis na produção do metano. Dentre eles estão algumas substâncias e seus limites máximos, com base nos estudos experimentais de Teixeira (2001): cloreto de sódio (4000 ppm), detergente (20 a 40 ppm), potássio (2.500 a 34

9 4.500 ppm), cálcio(2.500 a ppm) e magnésio (1000 a 1500 ppm), além dos antibióticos, desinfetantes e pesticidas. Segundo Oliveira (1993), a produção média de dejetos suínos por animal adulto, em especial matrizes, é da ordem de 27 l por dia e para cada leitão de 1,4 l/animal dia. Quanto à composição química, o presente autor estima uma média de importantes elementos presentes nos efluentes oriundos da suinocultura, em porcentagem: N2-1,8 a 2,5, P2O5-1,2 a 2,1 e K2O de 0,8 a 1,5. Conforme o estudo acima, a produção de biogás, a partir de 1 m3 de efluente suíno gera em média 0,64 m3 de biogás dia com um tempo de retenção de 20 a 30 dias, o que garante a obtenção energética da ordem de Kcal/m3 de biogás (65-70% de metano). 3- Benefícios da biodigestão anaeróbica Os biodigestores quando planejados e implantados de maneira eficiente geram inúmeros benefícios aos suinocultores, vantagens que se tornam mais ou menos interessantes, com base nas características da unidade de produção, necessidade energética, volume de produção de dejetos e o grau de eficiências das tecnologias voltadas à produção energética. Em termos gerais pode-se utilizar o metano para: - Gás combustível: pouco utilizado no Brasil, devido sua inviabilidade econômica. - Controle de poluição: A resolução nº 20 de 1986, do CONAMA, estabelece os valores máximos para DBO de 60 mg/l e de Oxigênio disperso de maior ou igual a 5 mg/l para os efluentes serem lançados em corpos de água. De acordo com Nogueira (1986) a biodigestão anaeróbica é muito eficiente na redução de DBO e DQO, por meio da redução dos sólidos orgânicos, além de remover patógenos em uma ordem de 90%. - Biossólido: após o processo de estabilização biológica dos efluentes o material sólido, chamado de biossólido apresenta teores consideráveis de macronutrientes na forma de matéria orgânica. Segundo o mesmo autor, no esterco suíno fresco apresenta em média: 0,55 de nitrogênio, 0,35% de P2O5, 1% de K2O e 68% de água. Esse biossólido não só contribui para 35

10 a redução do uso de fertilizantes químicos como também pode ser utilizado na fabricação de tijolos, matéria prima na fabricação de ração e ainda na conversão em óleo combustível. - Águas residuárias: A parte líquida resultante do processo de tratamento anaeróbico é também rica em nutrientes e pode ser usada na fertirrigação de forrageiras e outros vegetais importantes na alimentação dos suínos ou em atividades agrícolas complementares. Sua implantação na piscicultura vem sendo estudado, mostrando resultados satisfatórios na produção de carne com baixo custo. O aproveitamento do gás metano na própria suinocultura é vasto, entre elas estão: a) a iluminação nas granjas, tanto na criação de suínos como na avicultura, sendo uma importante estratégia de manejo a fim de estimular o apetite dos animais no período noturno; b) os leitões recém-nascidos são extremamente sensíveis às temperaturas baixas, portanto o aquecimento da maternidade reduz a mortalidade e garante o ganho de peso; c) as reprodutoras em regiões quentes e em estágio avançado de gestação apresentam um stress térmico necessitando de ventiladores nas horas mais quentes do dia; d) na suinocultura de corte os galpões são esterilizados com lança-chamas, com gás GLP, que poderia ser substituído pelo metano; e) atualmente a automatização do manejo de suínos demanda uma quantidade significativa de energia tanto no fornecimento de ração como água (cochos inteligentes ) e f) para as condições brasileiras, em que as médias anuais de temperatura estão acima de 25 C, considera-se a nebulização, mecanismo imprescindível dentro de galpões de produção, principalmente nas fases de terminação. Segundo estudos desenvolvidos por Silva (1999), o uso de nebulizadores por aspersão apresenta grandes vantagens, promovendo ganhos de peso significativos nos animais nas fases de crescimento e de terminação. 4- Biodigestores no espaço rural Na prática a produção de biogás é possível com a utilização de um equipamento denominado de biodigestor. O biodigestor constitui-se de uma câmara fechada onde é colocado o material 36

11 orgânico, em solução aquosa, onde sofre decomposição, gerando o biogás que irá se acumular na parte superior da referida câmara. Quanto ao seu funcionamento os biodigestores podem ser classificados em contínuos, quando a carga de matéria orgânica for diária, como é nos casos da suinocultura. Já os descontínuos (batelada) são utilizados quando não há a constância de geração de resíduos ou baixo consumo de gás, sendo muito aplicado para a avicultura. Para Teixeira (2001), um biodigestor é considerado rural quando possuem uma câmara de fermentação com volume inferior a 100 m3 e processam as matérias-primas (vegetais e dejetos animais) líquidas com elevado teor de sólidos. Existem diversos tipos de biodigestores contínuos utilizados (indiano, chinês, paquistanês, tailandês, coreano, filipino e mais recentemente a utilização de tanques revestidos e cobertos com manta impermeável de PVC, além dos biodigestores que apresentam uma miscigenação de características (híbridos) e incrementos por parte do produtor rural, adaptando-se às diversas necessidades e características das empresas agropecuárias e da biomassa em questão. No entanto o tipo ideal de biodigestor rural depende de vários fatores: qualidade e quantidade de resíduos gerados pelos animais; condições ambientais do local; mão-de-obra qualificada para a construção, manutenção e operações dos biodigestores; distância da fonte de biomassa e o consumo de gás; dimensionamento dos equipamentos, filtros do gás sulfídrico, gasômetro e geradores necessários para suprir as necessidades da suinocultura. Os mais utilizados na suinocultura, principalmente nas pequenas e médias empresas rurais, são os modelos indianos e chineses O modelo de biodigestão indiano caracteriza-se por possuir uma campânula como gasômetro, a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa em fermentação, ou em um selo d água externo, e uma parede central que divide o tanque de fermentação em duas câmaras. A função da parede divisória faz com que o material circule por todo o interior da câmara de fermentação. O modelo indiano possui pressão de operação constante, ou seja, à medida que o volume de gás produzido não é consumido de imediato, o gasômetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a pressão no interior deste constante. 37

12 O fato de o gasômetro estar disposto ou sobre o substrato ou sobre o selo d água reduz as perdas durante o processo de produção do gás. O resíduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração de sólidos totais (ST) não superior a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do material. Figura 2: Modelo de biodigestor indiano Já o modelo chinês é formado por uma câmara cilíndrica de pouca altura, ligadas a duas abóbodas. A grande ideia desse modelo está em evitar o uso do gasômetro, atuando de maneira similar ao princípio da prensa hidráulica, porém o problema está na oscilação da pressão interna, maior probabilidade de vazão de gases, sua construção requer cuidados no aspecto de impermeabilização, seu custo geralmente é menor já que o gasômetro onera o custo do biodigestor e tem mostrado eficiente em instalações de pequeno porte, como a suinocultura familiar. 38

13 Figura 3: Modelo de biodigestor chinês 5- Geração de energia A produção de energia elétrica a partir da biomassa, atualmente, é muito defendida como uma alternativa importante para países em desenvolvimento e também outros países, em várias cadeias do agronegócio. Embora o Brasil nos últimos anos venha desenvolvendo uma série de pesquisas e inovações tecnológicas, a fim de transformas a biomassa em uma viável e importante fonte de cogeração energética, tendo como foco: a avicultura, bovinocultura e principalmente a suinocultura almejando a sustentabilidade desses empreendimentos rurais Segundo Florentino (2003), os biodigestores tem sido alvo de grande destaque tendo em vista a crise de energia no espaço rural e conseqüente busca por fontes alternativas, ressaltando que os biodigestores são importantes no intenso processo de modernização das empresas rurais, que demanda energia e geram inúmeros resíduos provenientes da criação de animais e de culturas que pode ocasionar sérios problemas ambientais e de ordem sanitária, que por sua vez vem se colocando como a maior barreira as exportações de carne suína ao grande mercado dos países desenvolvidos. Para se transformar o biogás em energia elétrica é necessária a utilização de motores de combustão a gás e posteriormente um gerador de energia elétrica. Em alguns casos pode-se utilizar um cilindro de compressão, para garantir a constante vazão e pressão dos gases para o motor. Cabe salientar que para utilização em motores a gasolina é necessário que se faça a conversão para biogás, a mesma deve ser feita por um mecânico experiente e não exige grandes alterações, porém, modelos específicos apresentam melhores rendimentos. Deve-se 39

14 uma maior atenção na instalação de filtros para o biogás, visto que o mesmo apresenta teores consideráveis de gás sulfídrico e dióxido de carbono que comprometem significativamente a vida útil dos motores, comprometendo a eficiência na cogeração. 6. Considerações Finais O emprego energético do biogás, a partir dos dejetos suínos apresenta inúmeros benefícios (ecológicos, sociais e econômicos) e aplicabilidades, quando bem planejado e executado dentro dos parâmetros técnicos e econômicos, conforme as características peculiares de cada unidade de produção e o devido controle dos fatores ambientais. Os custos de produção de biogás e geração de energia à atividade rural em questão esta diretamente relacionados à quantidade de biogás que se produz e ao investimento destinado à construção do biodigestor, motores e geradores (planta energética). Quanto ao tempo de retorno do investimento, torna-se atrativo com a intensificação do uso do sistema, porém seria interessante também que o excesso de energia gerado nas propriedades pudesse ser comercializado com as concessionárias e lançado na rede elétrica. No entanto essa prática ainda é pouco praticada no Brasil, por problemas de eficiência técnica da cogeração e questões políticas. É de suma importante computar os benefícios ocultos no processo de obtenção energética pelo biogás, pois o tempo de retorno do investimento pode se tornar ainda menor se a economia proporcionada pelo uso do biofertilizante como fonte de nutrientes para adubação de pastagens ou lavouras, também for considerada. A partir da intensa pesquisa bibliográfica acerca do objeto de estudo, pode-se dizer que a implantação do biodigestor é a opção que mais trará resultados positivos, dando tratamento correto aos efluentes e gerando energia limpa para a própria unidade de produção suína. O modelo chinês de biodigestão,vem sendo o mais empregado, principalmente nas pequenas e médias empresas, pois tem custo operacional baixo, exige uma pequena demanda de área de instalação, trabalha com fluxo contínuo, apresenta alta eficiência para efluentes com baixo teor de sólidos, é capaz de apresenta eficiência maior que a de outros tipos de biodigestores em termos de COV (carga orgânica volumétrica), produz volumes significativos e com maior qualidade de biogás e vem sofrendo forte expansão no tratamento dos dejetos rurais. 40

15 O cenário da cogeração de energia na cadeia da suinocultura ainda apresenta uma diversidade de desafios para sua ampliação e melhoria, via biogás, tais como: maior investimentos em pesquisas envolvidas com efluentes rurais, difusão de tecnologias de biodigestão anaeróbica mais eficientes e com preço acessível, apoio aos produtores em assistência técnica por parte dos órgãos de extensão rural, criação de políticas de financiamento nas construções de plantas energéticas de biomassa, facilidade maior na entrada do mercado de crédito de carbonos (Mecanismo de Desenvolvimento Limpo), buscar novas parcerias com atores sociais da cadeia de carne suína (alianças estratégicas), criar associações entre suinocultores da mesma região e por fim a questão ética. Bibliografia BERMANN, Célio. Energia no Brasil: para quê? Para quem? Crise e alternativas para um país sustentável. São Paulo: Editora Livraria da Física, FAESE, BRANCO, Samuel. Energia e Meio Ambiente. São Paulo: Moderna, CAMPOS, Alessandro. Análise energética de biodigestores tubulares usando dejetos de suínos. Grupo de Pesquisas em Ambiência do Oeste do Paraná. UNIOESTE, COLDEBELL, Anderson; et al. Viabilidade da geração de energia elétrica através de um motor gerador utilizando biogás da suinocultura. Informe Gepec.Vol. 12, nº2, jul./dez FLORENTINO, H. O. Mathematical tool to size rural digesters. Ciência Agrícola, Piracicaba - SP, v. 60, n. 1, jan./mar GLIESSMAN, Stephen. Agroecologia: processos ecológicos em agricultura sustentável. Porto Alegre:Ed. Universidade UFRGS, GOLDEMBERG, Jose; LUCON, Oswaldo. Energia, Meio Ambiente & Desenvolvimento. São Paulo: editora da Universidade de São Paulo, 3 ed,

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