POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS POR MEIO DO APROVEITAMENTO DE BIOGÁS PROVENIENTE DE ATERRO SANITÁRIO

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1 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS POR MEIO DO APROVEITAMENTO DE BIOGÁS PROVENIENTE DE ATERRO SANITÁRIO Pecora, V. Pesquisadora 1 Figueiredo, N. J. V. Pesquisadora e Mestranda do PIPGE 1 Coelho, S. T. Secretária Executiva 1 Velázquez, S. M. S. G. Coordenadora Técnica 1 e Professora 2 1 IEE/CENBIO - Instituto de Eletrotécnica e Energia / Centro Nacional de Referência em Biomassa Universidade de São Paulo (USP) 2 Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Presbiteriana Mackenzie Resumo: O aquecimento global tem se tornado alvo de discussões mundiais devido ao aumento da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera, provenientes, principalmente, da queima de combustíveis fósseis. A busca por alternativas que promovam a substituição destes combustíveis por fontes renováveis tem se intensificado nas últimas décadas e vários estudos estão sendo realizados para garantir, por exemplo, a gestão eficiente e minimização dos resíduos sólidos urbanos, visto como grave problema dos grandes centros urbanos brasileiros atualmente. A disposição final incorreta destes resíduos acarreta na emissão descontrolada dos gases gerados em sua decomposição e na infiltração de líquidos percolados no solo, causando impactos negativos à saúde da população e ao meio ambiente, contribuindo para o agravamento do efeito estufa. Neste contexto, este artigo apresenta o projeto de aproveitamento de biogás proveniente do tratamento de resíduos sólidos urbanos para geração de energia elétrica e iluminação a gás, desenvolvido pelo Centro Nacional de Referência em Biomassa CENBIO, na Central de Tratamento de Resíduos - Caieiras, controlado pelo grupo Essencis. Este trabalho descreve as atividades do projeto realizado pelo CENBIO para determinação do potencial de geração de energia elétrica e iluminação a gás e, por meio dos resultados obtidos, poderão ser definidos outros aterros para implementação de projeto similar. O aproveitamento do biogás para geração de energia propicia o uso racional das fontes disponíveis, diminuindo a dependência de fontes externas de energia e, como ocorre a conversão do metano em dióxido de carbono, promove a redução de emissões de gases de efeito estufa, já que o metano tem potencial de aquecimento global cerca de 20 vezes maior, quando comparado ao dióxido de carbono. Palavras-chave: aterro sanitário, biogás, geração de energia, iluminação a gás. Abstract: Global warming has become an important topic of global discussions due to the increasing concentration of greenhouse gases in the atmosphere, coming mainly on the burning of fossil fuels. The search for alternatives that promote the replacement of these fuels by renewable sources has been intensified in recent decades and several studies are being undertaken to ensure, for example, the efficient management and minimization of solid waste, seen as a serious problem of large Brazilians urban centers nowadays. The incorrect final disposal of solid waste entails in uncontrolled emission of gases, generated in its decomposition, and the infiltration of percolated liquid in the soil; resulting on negative impacts on people's health and on the environment, also contributing to the worsening of the greenhouse effect. In this context, this article presents the project of exploitation of biogas from the treatment of urban solid waste for generating electric power and gas lighting, developed by the Brazilian Reference Center on Biomass (CENBIO), at Caieiras Waste Treatment Centre (Essencis CTR Caieiras). This paper describes the activities developed by CENBIO for determining the potential of electricity generation and gas lighting and, through the results, may be defined other landfills for implementation of a similar project. The use of biogas for energy generation provides the rational use of available sources, reducing dependence on external energy sources and, as the conversion of methane into carbon dioxide, promotes the reduction of emissions of greenhouse gases, since methane has the global warming potential about 20 times higher when compared to carbon dioxide. Keywords: landfill, biogas, energy generation, lightning.

2 1. Introdução Segundo dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (PNSB/IBGE, 2000), dos municípios brasileiros, apenas 33% possuem 100% de serviços de limpeza e/ou coleta de lixo e, o restante desses resíduos, passa a ser disposto em locais sem o devido controle como lixões ou depósitos a céu aberto, por exemplo. Desta forma, a disposição final do lixo é um dos graves problemas ambientais enfrentados pelos grandes centros urbanos e a emissão descontrolada do biogás produzido na decomposição anaeróbia dos resíduos acarreta problemas ambientais, como poluição do ar e solo e danos à saúde da população. Aterros sanitários são um dos métodos adequados para a deposição dos resíduos sólidos urbanos, pois, além de dispor de técnicas de impermeabilização do solo e cobertura dos resíduos, ainda podem promover a captação do gás e sua posterior queima, ou utilização do mesmo para geração de energia. Segundo Cunha (2002), a captação do biogás em aterros sanitários é viável do ponto de vista econômico, energético e ambiental, trazendo redução de custos para a prefeitura local e um destino nobre para o lixo. O biogás é formado a partir da degradação da matéria orgânica e sua produção é possível a partir de uma grande variedade de resíduos orgânicos, composto tipicamente por 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono, amônia, oxigênio e aminas voláteis (PECORA, 2006). De acordo com Alves (2000), a presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de carbono etc.) prejudicam o seu processo de queima, tornando-o menos eficiente e, portanto, seu poder calorífico diminui à medida que se eleva a concentração de impurezas em sua composição (ALVES, 2000). Até ser compactado e coberto, o lixo permanece por certo tempo descoberto no aterro, em contato com o ar atmosférico. Neste período já é verificada a presença do biogás, que continuará sendo emitido após a cobertura e encerramento da célula do aterro. A formação e taxa de geração dos principais constituintes do aterro é variável ao longo do tempo e, em condições normais, a taxa de decomposição atinge um pico entre o primeiro e segundo ano e diminui continuamente por alguns anos. Se o biogás não for coletado das células do aterro pode ocasionar explosões, emanar pela superfície e até migrar para áreas próximas, causando danos à saúde da população e ao ambiente como um todo. A conversão energética do biogás pode ser apresentada como uma solução para o grande volume de resíduos produzidos, visto que reduz o potencial tóxico das emissões de metano ao mesmo tempo em que produz energia elétrica agregando, desta forma, ganho ambiental e redução de custos (COSTA, 2002). Neste contexto, o CENBIO iniciou um projeto de aproveitamento de biogás proveniente dos resíduos sólidos urbanos para geração de energia elétrica e iluminação a gás, financiado pelo Ministério de Minas e Energia (MME). O projeto encontra-se em fase de implantação na Central de Tratamento de Resíduos (CTR) de Caieiras, localizado na Rodovia dos Bandeirantes, km 33, SP, controlado pelo Grupo Essencis. A CTR Caieiras é a maior Central de Tratamento de Resíduos da América Latina, recebendo cerca de toneladas de lixo diariamente. 2. Potencial de Geração de Biogás no Aterro Para o cálculo do potencial de geração de biogás no aterro foram utilizadas as equações da metodologia do Intergovernamental Panel on Climate Change - IPCC (1996), e calculadas a partir de dados fornecidos pela CTR Caieiras (CAIEIRAS, 2004). L 0 = MCF x DOC x DOC F x F x 16 / 12 Eq. (1) RSD: resíduo sólido domiciliar

3 L 0 : potencial de geração de metano do resíduo (m³ biogás/kg RSD ) MCF: fator de correção do metano (%) DOC: fração de carbono degradável (kg C /kg RSD ) DOC F : fração de DOC dissolvida (kg C /kg RSD ) F: fração de metano no biogás 16 / 12 : conversão de carbono para metano O fator de correção de metano varia em função do tipo de local, definidos, segundo o IPCC (1996) de acordo com a Tabela 1. Tabela 1. Valores de MCF Local de Disposição MCF Lixão 0,4 Locais sem categoria 0,6 Aterro controlado 0,8 Aterro sanitário 1,0 Fonte: IPCC, Como a CTR Caieiras é um aterro sanitário, tem-se MCF = 1. A fração de carbono degradável (DOC) é calculada conforme equação 2 e a fração de DOC dissolvida (DOC F ), conforme equação 3. DOC = 0,40A + 0,16 (B+C) + 0,30 D Eq. (2) A: percentual de papelão e tecidos = 22% B+C: alimentos e resíduos orgânicos = 55% D: resíduos de madeira = 2% Resultando em DOC = 0,174 DOC F = 0,014T + 0,28 = 0,77 Eq. (3) T: temperatura (ºC) na zona anaeróbia dos resíduos, estimada em 35º C F = 32,5% Portanto, substituindo os valores anteriormente calculados (Equação 2 e 3) na Equação 1, tem-se L 0 = 0,071 kg CH4 /kg RSD. Considerando a densidade do CH 4 (0º C e 1,013 bar) como 0, t/m³, tem-se L 0 = 99,69 m³ CH4 /t RSD. A vazão de metano, em m³ CH4 /ano, pode ser calculada de acordo com a equação 4 e 5. LFG = k x Rx x L 0 x e k (x-t) Eq.(4) k = ln 2 t 1 2 Eq. (5) Rx: fluxo de resíduo no ano (1/ano) x: ano atual T: tempo de deposição do resíduo no aterro t 1/2 : tempo médio para 50% da decomposição = 9 anos k: constante de decaimento (1/ano) = 0,077

4 Os resultados obtidos entre os anos de 2002 e 2040 são representados no Figura 1, a seguir. Metano (m³/h) Metano captado pelo projeto (m³/h) Ano Figura 1 - Comportamento da vazão de metano Fonte: FIGUEIREDO, 2007 O comportamento crescente da curva apresentada no Gráfico 1, corresponde ao período em que o aterro recebe lixo, pois a cada tonelada de lixo, soma-se um novo potencial. O último ano de deposição de resíduos no aterro é dado pelo ponto máximo da curva e no decaimento, a curva é dirigida pela constante k, referente à degradação da matéria orgânica no tempo. A quantidade de biogás gerada, de acordo com os cálculos anteriormente descritos, foi de 1.425,46 m 3 CH 4 /h no ano de 2007 e a estimativa para o ano de 2008 é de 3.241,53 m 3 CH 4 /h. 3. Cálculo da Potência Útil Gerada e Energia Disponível A partir do cálculo da geração de metano nos anos de 2002 a 2040 é possível calcular a potência elétrica útil disponível para geração de energia no aterro. Para a determinação da potência e energia disponível foram utilizadas as equações 6 e 7, a seguir. Qx Px = Pc me tan o η Eq. (6) Px: potência disponível a cada ano (kw) Qx: vazão de metano a cada ano (m³ch 4 /ano) Pc: poder calorífico do metano = kcal/m³ch 4 : eficiência do motor = 0,28 Px Edisp = Eq. (7) E disp : energia disponível (kw) Px: potência disponível (kw) 365: dias/ano 24: h/dia Os valores disponíveis para o ano de 2007 foram: potência de 3,94 kw e energia de 82,37 MWh/dia. Para o ano de 2008 estima-se potência de 8,97 kw e energia de 187,31 MWh/dia.

5 As tecnologias convencionais para a transformação energética do biogás são as turbinas a gás, as microturbinas e os motores de combustão interna. De acordo com estudos realizados pelo CENBIO (2005), os motores ciclo Otto, além de apresentarem baixo custo quando comparados às turbinas e microturbinas a gás, possuem alta eficiência quando operados com biogás. 4. Estudo de Caso CTR Caieiras O CENBIO optou pela instalação de um motogerador ciclo Otto, considerando, além das vantagens já mencionadas, a possibilidade de rápida instalação e facilidade de manutenção, visto que já é uma tecnologia existente no país. Por se tratar de um projeto demonstrativo, selecionouse um motor ciclo Otto adaptado de potência nominal de 200 kw (Figura 2) para realização dos testes na CTR Caieiras, e entrará em funcionamento no mês de novembro de Figura 2: Grupo Motogerador Fonte: FIGUEIREDO, 2007 O sistema de iluminação a gás, em fase final de implementação na CTR Caieiras contará com 7 postes de iluminação a biogás (Figura 3), cada um com quatro pontos luminosos que, segundo o fabricante, consomem, cada, 0,4 m³ de biogás por hora. Portanto, o consumo total de biogás pelo sistema de iluminação a gás será de 11,2 m³ /h. Figura 3: Poste de iluminação a gás Fonte: CENBIO, 2006

6 Segundo dados do fabricante, a eficiência elétrica do motor é de 28%. Desta forma, por meio dos dados coletados na CTR Caieiras é possível estimar a vazão de biogás necessária para a alimentação do mesmo, conforme a equação 8, resultando em um consumo de 180,7 m³/h. Q BIOGÁS % METANO 860 PCI η = Pot GERADA Eq. (8) % metano: 40% Poder Calorífico Inferior: 8500 kcal/m³ Pot GERADA : 200 kw 860: conversão kcal - kw Como o consumo pelos postes de iluminação a gás é de 11,2 m³/h, a soma do biogás a ser consumido é de 191,9 m³/h, ou, considerando concentração de metano de 40%, 76,76 m³/h de metano. Como a vazão de metano em 2008 é de 3.241,53 m³/h, haverá um excedente de 3.164,77 m³/h que continuará sendo queimado em flare. Na figura 4 é possível visualizar o sistema integrado da captação do biogás no aterro em questão. 5. Conclusão Figura 4: Sistema integrado de captação e conversão do biogás em energia Fonte: BRASMETANO, 2007 Pôde-se verificar que os aterros sanitários representam uma das alternativas mais interessantes para a disposição final do lixo, considerando, posteriormente, a geração de biogás, pois podem dispor de técnicas de captação dos gases liberados através de dutos e queima em flares, onde o metano, principal constituinte do biogás, é transformado em gás carbônico, com potencial de aquecimento global cerca de 20 vezes menor (EPA, 2008). A partir dos dados cedidos pelo aterro e por meio dos cálculos descritos neste relatório, observase que a CTR Caieiras tem potencial de geração de biogás suficiente para alimentar os sistemas de geração de energia elétrica e de iluminação a gás, visto que o consumo de biogás a ser consumido pelo sistema de geração de energia elétrica e iluminação a gás é de 76,76 m³/h de metano, vazão menor que a estimada para 2008, cujo excedente continuará sendo queimado em flare. O desenvolvimento e a implementação de alternativas tecnológicas com vistas à geração de energia a custos reduzidos para esse segmento podem gerar impactos socioeconômicos e ambientais positivos, diminuindo a sobrecarga das concessionárias, além da diminuição da emissão de gases de efeito estufa. A utilização do biogás provenientes de aterros sanitários pode promover benefícios para o governo local, estimulando a adoção de práticas de engenharia que maximizam a geração e a coleta do biogás, também reduzindo os riscos ambientais.

7 6. Referências Alves, J. W. S. Diagnóstico técnico institucional da recuperação e uso energético do biogás gerado pela digestão anaeróbia de resíduos. (Dissertação de Mestrado). Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia (PIPGE) do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo, São Paulo, BRASMETANO Brasmetano. Motogeradores a biogás. Disponível em Acesso em: 10/03/2008. CAIEIRAS Aterro Essencis CTR Caieiras. Redução das emissões de gases de aterro Caieiras, SP. Documento de concepção de projeto (DPC), Versão 0. Caieiras, SP, Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO). Projeto Instalação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto ENERG-BIOG. Relatório Técnico Final. São Paulo, (2006). Determinação do potencial de biogás a ser produzido e do potencial de eletricidade a ser gerado na CTR Caieiras. Relatório de Atividades. São Paulo, Costa, D. F. Biomassa como fonte de energia, conversão e utilização. (Monografia). Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia (PIPGE) do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo, São Paulo, CUNHA, M. E. G. Análise do Setor Ambiental no Aproveitamento Energético de Resíduos: Um estudo de caso do município de Campinas Mestrado em Planejamento de Sistemas Energéticos/Área Interdisciplinar. Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Brasil, EPA - Environmental Protection Agency. Methane. Acesso em: 03/2008. Disponível em: Figueiredo, N. J. V., Utilização do biogás de aterro sanitário para geração de energia elétrica e iluminação a gás estudo de caso. (Trabalho de Graduação Interdisciplinar). Universidade Presbiteriana Mackenzie. Escola de Engenharia, Dpto. de Engenharia Mecânica. São Paulo, IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change. Guia para inventários nacionais de gases de efeito estufa. Módulo 6: Lixo. Volume 2: Livro de trabalho de Pecora, V., Implantação de uma unidade demonstrativa de geração de energia elétrica a partir do biogás de tratamento do esgoto residencial da USP Estudo de Caso (Dissertação de Mestrado). Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia (PIPGE) do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo, São Paulo, PNSB / IBGE - Pesquisa Nacional de Saneamento Básico / Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Número de distritos com serviço de limpeza urbana e/ou coleta de lixo, por percentual de lixo coletado, 2000.