ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA

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1 UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM: ENGENHARIA MECÂNICA ROSANA SOFIA GOMES TAVARES Vila Real, 2013

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3 UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA Rosana Sofia Gomes Tavares Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges, do Departamento de Engenharia da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro. Outubro, 2013

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5 Às minhas gatinhas i

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7 O Leão e o Porco O rei dos animais, o rugidor leão, Com o porco engraçou, não sei por que razão. Quis empregá-lo bem para tirar-lhe a sorna (A quem torpe nasceu nenhum enfeite adorna): Deu-lhe alta dignidade, e rendas competentes, Poder de despachar os brutos pretendentes, De reprimir os maus, fazer aos bons justiça, E assim cuidou vencer-lhe a natural preguiça; Mas em vão, porque o porco é bom só para assar, E a sua ocupação dormir, comer, fossar. Notando-lhe a ignorância, o desmazelo, a incúria, Soltavam contra ele injúria sobre injúria Os outros animais, dizendo-lhe com ira: «Ora o que o berço dá, somente a cova o tira!» E ele, apenas grunhindo a vilipêndios tais, Ficava muito enxuto. Atenção nisto, ó pais! Dos filhos para o génio olhai com madureza; Não há poder algum que mude a natureza: Um porco há-de ser porco, inda que o rei dos bichos O faça cortesão pelos seus vãos caprichos. Bocage, in 'Fábulas' ii

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9 Agradecimentos Desejo aqui, expressar a minha gratidão para com todos aqueles que tornaram possível a realização deste trabalho, nomeadamente o meu orientador, Prof. Amadeu Borges, pelo seu apoio incondicional, disponibilidade e por tudo ter feito no sentido de responder a todas as minhas dúvidas. Gostaria igualmente de endereçar um enorme agradecimento à Engª. Paula Moreira da empresa Veolia Água, pela total disponibilidade e auxílio prestados. Ao colega Luís Oliveira, pela ajuda preciosa. Agradeço ainda às instituições Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro e à ETAR de Valongo, pelos meios que me proporcionaram para a realização deste trabalho. A todos os meus amigos por todos os momentos bem passados ao longo desta vida académica, em especial à Andreia e à Bárbara, por todas as conversas e gargalhadas, pela amizade e atenção, obrigada por estarem sempre aí. Ao meu namorado, Fábio, por me aturares particularmente durante estas longas horas de dissertação, pelo apoio e carinho e por acreditares em mim. Aos meus pais e irmã, pelo apoio incondicional, pelo incentivo que sempre me deram para os estudos e por me aconselharem sem pressões nem julgamentos. iii

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11 Resumo A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em especial no que toca aos resíduos orgânicos. O tratamento biológico da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos (RSU) constitui uma solução necessária a ter em conta na gestão de resíduos, ao promover a redução da matéria orgânica, através dos processos de estabilização e de recuperação de nutrientes. A digestão anaeróbia assume particular destaque por utilizar ainda o conteúdo energético dos resíduos, convertendo o numa fonte de energia - o biogás. Para manter a produção de biogás é necessário que o processo de digestão anaeróbio ocorra a uma temperatura constante e tradicionalmente este aquecimento é feito com parte do biogás produzido. Se outro tipo de energia renovável for utilizada como fonte de calor, a reação torna-se muito mais eficiente e a quantidade de biogás produzida disponível para valorização aumenta substancialmente. É neste contexto, que a energia solar e a energia geotérmica surgem como uma solução bastante promissora. Pois são ambas fontes de energia renovável com grande potencial em Portugal. Este trabalho tem como principal objetivo avaliar a viabilidade de um sistema solar térmico e de um sistema geotérmico como fonte de calor alterativa durante o processo de digestão anaeróbia, conduzindo a um aumento da disponibilidade de biogás para conversão, em energia elétrica, por exemplo. Nesta dissertação realizaram-se ainda ensaios com lamas de ETAR a uma temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, avaliando-se a quantidade de biogás produzida com este tipo de matéria orgânica. Verificou-se tanto o sistema solar térmico como sistema geotérmico constituem soluções economicamente e energeticamente atrativas para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. No entanto, o sistema solar térmico foi o que apresentou os melhores resultados, com um payback de apenas 5 anos, o investimento é recuperado a uma taxa de 17,19%, e gera-se ainda um excedente no final do tempo de vida útil do equipamento de iv

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13 Abstract Waste management is under increasing restrictions, mainly concerning the organic waste. Biologically treating the organic fraction of urban solid waste (USW) is a solution that must be considered in waste management as it promotes the reduction of organic matter through processes of stabilization and nutrient recovery. The role of anaerobic digestion must be particularly emphasized as it converts the energy content of the waste into a power source - biogas. In order to stabilize biogas production the anaerobic digestion must occur at a constant temperature; the heating needed for this process is typically supplied by part of the produced biogas. If another type of renewable energy is used as a heat source, the reaction becomes more efficient and the amount of biogas produced made available for energy recovery increases substantially. Therefore, solar and geothermal energy arise as an auspicious solution especially since these sources have great promise in Portugal. The aim of this work is to evaluate the feasibility of both a solar thermal and a geothermal systems as alternative heat sources during the anaerobic digestion process, leading to increased availability of biogas for conversion into electrical energy. Laboratory tests were performed with sewage sludge from a wastewater treatment plant for an optimum temperature of 35ºC with and without mixing, in order to evaluate the amount of biogas produced from this type of organic material. The solar thermal and the geothermal systems are both economically and energetically attractive solutions to ensure the energy needs of anaerobic digestion. Nonetheless, the solar thermal system displayed the best results: with a payback of just 5 years the initial investment is recovered at a rate of 17.19%. Moreover, a surplus of is generated during the equipment's lifetime. v

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15 Índice Agradecimentos Resumo Abstract iii iv v Capítulo 1 Introdução Pág Objetivos Pág Enquadramento Pág Estrutura da Dissertação Pág.9 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte de calor para a digestão anaeróbia Pág Fatores que influenciam a digestão anaeróbia Pág Temperatura Pág Tempo de retenção hidráulico (TRH) Pág Agitação Pág Tipo de matéria orgânica (substrato) Pág Tipos de biodigestores (reatores) Pág Energia Solar Pág Vantagens e desvantagens da energia solar térmica Pág Coletores solares Pág Contributo para a redução das emissões de CO2 Pág Energia Geotérmica Pág.24 Capítulo 3 Digestão Anaeróbia de Lamas de ETAR para Produção de Biogás Pág Introdução Pág Equipamento Pág Biodigestores Pág.33 vi

16 Agitador Mecânico Pág Banho Termostático Pág Analisador de Gases Pág Procedimento Experimental Pág Apresentação e discussão dos resultados Pág Conclusões Pág.40 Capítulo 4 Aquecimento Solar Pág Introdução Pág Dimensionamento do sistema solar Pág Energia útil apresentação e discussão de resultados Pág Avaliação da radiação incidente para o concelho de Vila Real Pág Apresentação dos coletores solares em estudo Pág Análise da energia solar captada em função da massa volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima do processo de digestão Pág Fração solar Pág Cálculo da quantidade de coletores para funcionamento do sistema solar Pág Viabilidade económica Pág Impacte Ambiental Pág Conclusões Pág.65 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Pág Introdução Pág Dimensionamento do sistema geotérmico Pág Sistema GCHPs horizontal Pág Sistema GCHPs vertical Pág Viabilidade Económica Pág Comparação entre o sistema geotérmico e o sistema solar Pág.80 vii

17 5.5. Conclusões Pág.82 Capítulo 6 Conclusões Pág.83 Bibliografia Anexos Pág.87 Pág.93 viii

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19 Índice de Figuras Figura 1.1 Evolução do número de infraestruturas de gestão de resíduos entre 1996 e 2005.[Fonte: PERSU II] Figura 1.2 Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão anaeróbia de RBU, dejetos de animais e biomassa verde para produção de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009] Figura 1.3 Instalação para produção de biogás com aquecimento solar (Dong & Lu, 2013). Figura 1.4 Representação esquemática do sistema de aquecimento da estufa. (Adaptado de Esen & Yuksel, 2013) Pág.5 Pág.6 Pág.7 Pág.8 Figura 2.1 Influência da temperatura no tempo de retenção para que a digestão anaeróbia ocorra. [Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008] Figura Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo. [Fonte: eds.norte, 2008] Figura Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com biomassa em suspensão. [Fonte: eds.norte, 2008] Figura Representação gráfica da radiação solar global na Península Ibérica (valores anuais em kwh/m 2 ). [Fonte: Figura Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano; b) Coletor concentrador parabólico; c) Coletor de tubos de vácuo. [Fonte: Pág.11 Pág.15 Pág.16 Pág.18 Pág.20 Figura Estimativa de poupança de emissões de CO2 e na produção de AQS através da implementação de instalações solares térmicas em 20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)] Pág.23 Figura Localização das ocorrências termais cuja temperatura de emergência é superior a 20ºC. [Fonte: Figura Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das Dunas, localizada na Costa de Prata, Santa Cruz é um projeto ecofriendy que utiliza a energia geotérmica para o aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A água proveniente das termas de Chaves é utilizada para aquecimento do hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte: e Lourenço, M. (n.d.)] Figura Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo. [Fonte Pág.25 Pág.26 Pág.27 ix

20 Figura 2.10 Componentes do sistema GSHP: 1) Bomba de calor; 2) Ligação à terra; 3) Sistema de aquecimento/arrefecimento do interior [Fonte: Tavares J. (2011)] Figura 2.11 Sistemas de ligação à terra para captação de energia geotérmica: a) captação horizontal; b) captação vertical; c) captação do lençol freático. [Fonte: Pág.28 Pág.29 Figura Disposição do equipamento experimental na bancada. Figura Biodigestor de parede dupla. Figura Agitador mecânico de hélice. Figura Banho termostático. Figura Analisador de gases. Figura Esquema de funcionamento do biodigestor. [Fonte: Cardoso, 2011] Figura Sistema experimental de digestão anaeróbia para produção de biogás em funcionamento. Pág.33 Pág.34 Pág.34 Pág.35 Pág.36 Pág.37 Pág.38 Figura Evolução da energia útil anual em função da massa específica da matéria orgânica e da temperatura ótima. Figura Gráfico representativo da radiação incidente em função do tempo em Vila Real. [Fonte: Figura 4.3 Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de dezembro para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Figura 4.4 Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de julho para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Figura 4.5 Comparação dos valores de energia solar obtidos ao longo do ano para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol para cada temperatura ótima de funcionamento, considerando uma massa volúmica de 560kg/m 3. Figura 4.6 Evolução da fração solar média ao longo do ano em função da temperatura ótima. Figura 4.7 Comparação do investimento, em euros, dos sistemas solares térmicos da EnergyBand, da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol. Pág.43 Pág.44 Pág.50 Pág.50 Pág.52 Pág.55 Pág.58 x

21 Figura 4.8 Comparação do payback simples obtido para os sistemas solares térmicos da Energyband, da Martifer e da Vulcano. Pág.60 Figura 5.1 a) Principais fontes de calor a baixa temperatura; b) Permutadores em caracol. [Fonte: Figura 5.2 a) Ilustração de um furo com captação por sonda geotérmica [Fonte: b) Sonda geotérmica RAUGEO PE100 e PE-Xa [Fonte: Figura Poupança anual, em euros, em função da fonte de energia tradicional, eletricidade ou gás natural. Figura 5.4 Comparação entre o investimento necessário para o sistema geotérmico GCHPs horizontal e para o sistema solar Vulcano. Figura 5.5 Comparação entre a poupança anual adquirida com a implementação do sistema geotérmico GCHPs horizontal e do sistema solar Vulcano. Figura 5.6 Comparação entre os valores de payback, em anos, obtidos para o sistema solar térmico e o sistema geotérmico horizontal. Pág.70 Pág.73 Pág.76 Pág.80 Pág.81 Pág.81 xi

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23 Índice de Tabelas Tabela 1.1 Dados reais em 2008 e metas do PERSU II para 2016 relativamente ao destino dos RSU (Fonte: APA) Pág.4 Tabela 2.1 Caracterização dos diferentes tipos de substratos utilizados para produção de biogás. [Fonte: Rajendran et al., 2012] Pág.14 Tabela 3.1 Massa volúmica dos RUB utilizados para a produção de biogás. [Fonte: Russo, n.d. e Rasquilha, 2010] Tabela 3.2 Procedimento experimental. Tabela 3.3 Quantidade de CO2, CH4 e H2 presente no biogás produzido a 35ºC. Pág.32 Pág.37 Pág.38 Tabela 3.4 Quantidades de metano obtidas por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). Pág.39 Tabela 4.1 Características do sistema matéria orgânica/biodigestor. Tabela 4.2 Radiação solar média, temperatura ambiente média e os dias de cada mês, referentes ao concelho de Vila Real. Tabela 4.3 Valores da radiação global incidente corrigida (H), coeficiente de correção de inclinação (k) e da energia incidente dia por m 2. Tabela 4.4 Características de cada coletor solar em estudo. Tabela 4.5 Apresentação das áreas de coletor (m 2 ) em função da temperatura ótima e da massa volúmica. Tabela 4.6 Comparação percentual entre a energia solar captada (Esolar) pelos coletores da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada pelo coletor EnergyBand, para as temperaturas ótimas de 35 e 40ºC. Tabela 4.7 Valores da carga térmica (ECT) e da energia fornecida pelo sol (Esolar), em MJ/ano. Tabela 4.8 Número de coletores solares necessários ao funcionamento dos sistema solar. Tabela 4.9 Consumo específico de gás natural, em m 3 por mês. Tabela 4.10 Escalões de consumo de gás natural definidos pela ERSE (1) e respetivo preço (2).(Fonte: ERSE) Pág.42 Pág.45 Pág.46 Pág.46 Pág.48 Pág.53 Pág.54 Pág.56 Pág.58 Pág.59 xii

24 Tabela 4.11 Poupança anual, em euros, em relação à solução convencional a gás natural. Tabela 4.12 VAL, em euros, obtido para cada sistema solar térmico analisado. Pág.59 Pág.62 Tabela 4.13 TIR, em percentagem, obtida para cada sistema solar térmico analisado. Pág. 62 Tabela 4.14 Quantidades, em gramas, de CH4 e CO2. Tabela 4.15 Quantidade de CO2, em kg por ano, libertada para a atmosfera com o sistema tradicional e com o sistema solar térmico. Pág.63 Pág.64 Tabela Características das bombas de calor da marca Ecoforest. [Fonte: Tabela 5.2 Potência útil em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Tabela Potência elétrica (WEL) em kw, absorvida pela bomba de calor em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Tabela Potência a permutar com o terreno, em kw, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Tabela Rendimentos específicos aproximados das superfícies de terreno para permutadores em caracol. [Fonte: Tabela Superfícies de terreno (S), em m 2,necessárias para a instalação dos permutadores em caracol. Tabela 5.7 Dimensões do coletor geotérmico horizontal. [Fonte: Tabela 5.8 Comprimento total de tubos (L), em metros, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Tabela Rendimentos térmicos específicos, η ter, para sondas geotérmicas. [Fonte: Tabela Número de furos necessários para instalação do sistema GCHPs vertical. Pág.67 Pág.67 Pág.68 Pág.69 Pág.70 Pág.71 Pág.72 Pág.72 Pág.74 Pág.74 Tabela 5.11 Preço de um furo geotérmico de alta profundidade ( m) (Coelho, 2007). Pág.75 Tabela 5.12 Comparação do investimento (1), em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Pág.75 xiii

25 Tabela 5.13 Comparação do payback, em anos, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da energia elétrica. Tabela Comparação do payback, em anos, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do gás natural. Tabela 5.15 Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da energia elétrica. Tabela Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do gás natural. Tabela 5.17 Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da energia elétrica. Tabela Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do gás natural. Pág.77 Pág.77 Pág.78 Pág.78 Pág.79 Pág.79 xiv

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27 Nomenclatura Carateres Romanos a taxa de atualização a1, a2 coeficientes de perdas térmicas (W/m2 ⁰C e W/m2.ºC2) A área útil de absorção (m2) cp calor específico da mistura (kj/kg.ºc) de diâmetro exterior (mm) di diâmetro interior (mm) ECT carga térmica (MJ/mês) Eútil energia útil (MJ) Eincidente energia incidente (MJ/m2) Ecaptada energia captada (MJ/m2) Esolar energia solar (MJ) f fração solar H radiação global incidente corrigida (kwh/m2) I radiação incidente (W/m2) k coeficiente de correção de inclinação do coletor L comprimento total de tubos (m) n tempo de vida (anos) Qútil potência útil (kw) Qter - potência a permutar com o terreno (kw) S superfície de terreno (m2) Tambiente temperatura ambiente média de cada mês (ºC) Tágua rede temperatura da água da rede (ºC) T temperatura (ºC) Tótima temperatura ótima de funcionamento do processo de digestão anaeróbia (ºC) V volume de mistura (m3) WEL potência elétrica absorvida pela bomba (kw) xv

28 Carateres Gregos ρ massa volúmica da mistura (kg/m3), ηo rendimento ótico ηcoletor rendimento do coletor ηter rendimento térmico específico linear Abreviaturas ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers AQS Águas Quentes Sanitárias CC-E Compatible Controle COP Coeficiente de Performance CPC Combound Parabolic Concentrator (Coletor Concentrador Parabólico) DRAOT - Direção Regional do Ambiente e Ordenamento do Território ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais ENRRUBDA - Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos Biodegradáveis destinados a Aterros ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos EU - União Europeia GSHP - Ground Source Heat Pumps GCHPs - Ground - Coupled Heat Pumps GWHPs - Groundwater Heat Pumps GPL Gás de Petróleo Liquefeito n.d. não disponíevel ND - Número de Dias de cada mês PE-Xa Polietileno reticulado PERSU II - Plano Estratégico para os Resíduos Sólidos Urbanos PVC - Polyvinyl chloride RSU Resíduos Sólidos Urbanos RUB - Resíduos Urbanos Biodegradáveis xvi

29 TS Sólidos Totais TIR Taxa Interna de Rentabilidade TRH Tempo de Retenção Hidráulico TRS Tempo de Retenção Sólidos UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket VS Sólidos Voláteis VAL Valor Liquido Atualizado xvii

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31 Capítulo 1 - Introdução Capítulo 1 Introdução A União Europeia definiu que até 2020, 20% das necessidades energéticas da Europa têm de ser asseguradas a partir de fontes renováveis. Pelo menos 25% desta energia será proveniente de biogás produzido a partir de resíduos orgânicos como: dejetos de animais, restos de comida, lamas de ETAR, etc. A produção de biogás a partir dos resíduos animais e lamas é uma forma eficaz de reduzir a as emissões de gases de efeito de estufa, particularmente de metano e amónia (Holm-Nielsen et al, 2009). A utilização de RSU para produção de energia secundária como alternativa aos combustíveis fósseis contribui para a redução da deposição de RSU em aterros assegurando a diminuição do aquecimento global (Esen & Yuksel, 2013). O biogás é o combustível, derivado de biomassa, mais divulgado e aceite nos últimos anos, resultado da criação de instrumentos legislativos para o aumento da produção dos diversos sectores económicos envolvidos: da produção animal à agroindústria. Após a sua produção, o biogás pode ser queimado em caldeiras tradicionais para produção de calor ou ser utilizado como combustível para a geração de eletricidade ou produção combinada de calor e eletricidade (cogeração), através de diferentes tipos de tecnologias, tais como motores de combustão interna, turbinas a gás ou as mais recentes microturbinas ou pilhas de combustível. O biogás pode ainda ser utilizado para produção de compostos químicos, como combustível para veículos ou ser injetado na rede de gás natural (Garcia, 2011). A diminuição das emissões de gases com efeito de estufa, resultante dos objetivos do protocolo de Quioto, assim como preocupações relacionadas com a saúde humana e a escassez energética requerem soluções mais sustentáveis para a gestão e reciclagem dos resíduos sólidos (urbanos e agropecuários), nos quais o biogás resultante 1

32 Capítulo 1 - Introdução da digestão anaeróbia combinado com tecnologias de pré e pós-tratamento podem desempenhar um papel vital. A digestão anaeróbia consiste num processo em que os resíduos orgânicos sofrem um processo de degradação, por ação de microrganismos anaeróbios, na total ausência de oxigénio. Trata-se de um processo que ocorre naturalmente quando as condições envolventes o propiciam e apresenta como um dos principais produtos o metano, gás com elevado potencial energético. Com a construção de digestores anaeróbios (biodigestores), é possível recriar as condições naturais de forma controlada. No entanto, durante a digestão anaeróbia parte do biogás produzido é tradicionalmente usado para aquecer os biodigestores. É neste contexto que a energia solar surge como alternativa para garantir as necessidades energéticas da digestão anaeróbia, conduzindo a que a quantidade de biogás disponibilizada seja maior. Neste trabalho pretende-se estudar qual o retorno económico e energético resultante da valorização energética do biogás produzido com recurso à energia solar térmica. Recentemente, devido aos sucessivos aumentos no preço dos combustíveis fósseis, a utilização energia solar para a aquecer biodigestores tonou-se muito atrativa. A energia solar pode oferecer uma alternativa viável e ao mesmo tempo amiga do ambiente quando comparada com as práticas convencionais, e pode contribuir significativamente para a redução de energia consumida, aumentando a quantidade de biogás disponível após processo (Yiannopoulos et al, 2008). No entanto, a energia solar pode não conseguir assegurar as necessidades energéticas na totalidade, principalmente no período de inverno, em que há dias de céu encoberto (em que a intensidade de radiação é baixa). É neste contexto que a energia geotérmica surge como auxiliar ao sistema solar no aquecimento dos biodigestores para produção de biogás. A hipótese de utilização da energia geotérmica como solução no aquecimento dos biodigestores, em alternativa à utilizada tradicionalmente, e à energia solar térmica, também é equacionada nesta dissertação. 2

33 Capítulo 1 - Introdução 1.1. Objetivos A presente dissertação tem como objetivos: i) Realizar ensaios com lamas de ETAR para produção de biogás, à temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, analisando a quantidade de biogás produzida. ii) iii) iv) Otimizar a produção de biogás em função da temperatura ótima e da massa volúmica de matéria orgânica. Dimensionar um sistema solar térmico capaz de assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia, estabilizando a temperatura e aumentando a produção de biogás. Avaliar se o sistema solar térmico se apresenta como uma alternativa viável à utilização de parte do biogás produzido como fonte de calor dos biodigestores. v) Estudo de impacte ambiental. vi) Utilizar a energia geotérmica como energia auxiliar do sistema solar térmico ou como fonte de calor alternativa na produção de biogás. vii) Dimensionar o sistema geotérmico de modo a garantir a produção de biogás e comparar esta solução com o sistema solar térmico Enquadramento A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em especial no que diz respeito aos resíduos orgânicos. A União Europeia (EU), consciente dos impactos negativos decorrentes da deposição de resíduos orgânicos em aterro sanitário, impôs metas de diminuição, nomeadamente, uma redução percentual, em peso, de deposição em aterro a fração biodegradável para 75% em 2006, 50% em 2009 e 35% em 2016, face aos valores registados em Para dar forma às exigências impostas, criou-se o Plano Estratégico para os Resíduos Sólidos Urbanos (PERSU II) em vigor até 2016, e concretamente a Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos Biodegradáveis destinados a Aterros (ENRRUBDA) aprovada em 2003, de acordo com a Diretiva nº1999/31/ce de 26 de Abril transposta para o direito nacional através do Decreto-Lei nº152/2002, de 23 de Maio. 3

34 Capítulo 1 - Introdução Em 2009 a produção de RSU em Portugal Continental atingiu cerca de 5,185 milhões de toneladas, cerca de 1,4 kg por habitante e por dia, valor que vem aumentando pelo menos desde Quanto ao destino final dos resíduos sólidos urbanos (RSU) produzidos, se tivermos em conta as metas previstas para o final do período de vigência do PERSU II, 2016, observa-se que apenas no caso da incineração há uma aproximação do valor previsto, não acontecendo o mesmo para os restantes (Tabela 1.1). Tabela 1.1 Dados reais em 2008 e metas do PERSU II para 2016 relativamente ao destino dos RSU (Fonte: APA) (cenário moderado PERSU II) Aterro 65% 25% Incineração (recuperação energética) 18% 20% Valorização orgânica 8% 35% Recolha seletiva 9% 20% A reduzida percentagem de RSU destinados a unidades de valorização orgânica tem uma consequência direta na falta de espaço dos aterros em Portugal, estando na sua maioria com a capacidade de ocupação quase lotada. Se nada for feito ao nível do tratamento e destino dos RSU, Portugal não cumprirá as metas impostas pela EU, o que acarretará fortes penalizações e dificuldade em encontrar novas localizações para infraestruturas de tratamento e deposição. Atualmente existem 29 sistemas de gestão de RSU em Portugal Continental, 12 na região Norte, 5 na região Centro, 6 nas regiões de Lisboa e Vale Tejo, 5 na região do Alentejo e 1 na região do Algarve. No âmbito da ENRRUBDA preconizou-se o agrupamento dos sistemas com vista ao tratamento de resíduos urbanos biodegradáveis (RUB) no continente (Figura 1.1). 4

35 Capítulo 1 - Introdução Figura 1.1 Evolução do número de infraestruturas de gestão de resíduos entre 1996 e [Fonte: PERSU II] Analisando a Figura 1.1 constata-se que o número de unidades de valorização orgânica (por processos aeróbios, anaeróbios e pré-tratamento mecânico) existentes é de facto reduzido, apenas 8. Um aumento do número de unidades de valorização orgânica significaria retirar matéria orgânica dos aterros, poupando espaço e prevenindo o problema dos lixiviados, o que equivaleria a 50/56% em termos de carbono e hidrogénio, podendo dar origem a 30% de biomassa (Gonçalves, 2005). Neste contexto, o tratamento biológico da fração orgânica dos RSU constitui uma solução necessária a ter em conta na gestão de resíduos, ao promover a redução da matéria orgânica, através dos processos de estabilização e de recuperação de nutrientes. A digestão anaeróbia assume particular destaque por utilizar ainda o conteúdo energético dos resíduos, convertendo o numa fonte de energia - o biogás (Vaz F., 2009). O ENRRUBDA assume particular destaque à valorização orgânica (Figura 1.2), por processos anaeróbios, em grande parte, com base na recolha seletiva de RUB. A digestão anaeróbia é um método adequado para o tratamento de resíduos de instalações pecuárias, indústrias agro-alimentares, estações de tratamento de águas residuais (ETAR), produtores agrícolas e para tratamento de resíduos orgânicos em sistemas de gestão de resíduos (eds.norte, 2008). 5

36 Capítulo 1 - Introdução RUB Fotossíntese Dejetos de animais CO 2 O 2 Biomassa Biomassa verde H 2O Fertilização Biogás Unidade de valorização orgânica Digestão anaeróbia Eletricidade e calor Figura 1.2 Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão anaeróbia de RBU, dejetos de animais e biomassa verde para produção de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009] O processo de digestão anaeróbia consiste na transformação biológica de uma grande variedade de resíduos orgânicos. Por isso, é um processo que necessita de condições ambientais em equilíbrio de modo a garantir uma maior produção de metano. No entanto, são muitos os fatores que influenciam o processo de digestão anaeróbia. A otimização de um biodigestor pode ser feita tendo em conta as condições de temperatura (sendo que as mais baixas requerem um aquecimento constante ou isolamento térmico do biodigestor), a quantidade e tipo de matéria orgânica e a forma de alimentação do biodigestor. Manter um nível de temperatura ótimo, é fundamental para o crescimento e atividade das bactérias e, consequentemente, fundamental para obter os melhores resultados no que diz respeito à produção de biogás (Alkhamis et al., 2000). Normalmente, o aquecimento do biodigestor é feito à custa da energia produzida a partir do próprio biogás, resultante da digestão anaeróbia, sendo este queimado numa caldeira. Contudo, este método implica que parte do biogás produzido, seja consumido durante o 6

37 Capítulo 1 - Introdução processo de digestão, tonando o aquecimento excessivamente dispendioso. Conduzindo a uma redução da quantidade de energia que poderia vir a ser gerada a partir do biogás (Axaopoulos et al., 2001 e Chandra et al., 2013). É neste contexto, que a utilização de um sistema solar térmico capaz de satisfazer as necessidades térmicas do processo de digestão, poderá constituir uma solução alternativa, uma vez que ao substituir o biogás como fonte de calor, evita o consumo de biogás para consumo próprio. Deste modo, a produtividade energética do processo de digestão vai aumentar, ao mesmo tempo que se mantém uma solução totalmente renovável. El-Mashad et al. (2003) e Yiannopoulos et al. (2008) descobriram que os sistemas solares térmicos são ótimos para prevenir variações de temperatura durante a noite e para manter os biodigestores à temperatura desejada, tornando o processo cerca de 80% mais eficiente (Figura 1.3). Segundo Tiwari e Chandra (1986) os biodigestores assistidos com sistemas solares produziram mais quantidade de biogás, esta diferença acentua-se ainda mais durante os meses de inverno. Figura 1.3 Instalação para produção de biogás com aquecimento solar (Dong & Lu, 2013). O aquecimento a energia solar oferece uma solução amiga do ambiente e mais económica em alternativa ao aquecimento tradicional dos biodigestores e contrui significativamente para a redução do consumo energético e aumento da estabilidade do processo (Yiannopoulos et al., 2008 e Tiwari et al. 2003). 7

38 Capítulo 1 - Introdução O sistema solar térmico terá de ser dimensionado de modo a garantir não só o aquecimento do biodigestor, como também de forma a assegurar a sua estabilidade térmica, uma vez que qualquer variação na temperatura ótima implica alterações significativas no desenvolvimento bacteriano e, consequentemente, na produção de biogás. A energia disponibilizada pelo sol nem sempre é suficiente para manter os biodigestores aquecidos. Há, por exemplo, períodos chuvosos, dias frios onde o calor fornecido não é suficiente. Assim, para manter a temperatura, em qualquer circunstância, é necessário instalar um sistema de aquecimento auxiliar. Optou-se pela energia geotérmica, por se tratar também de uma fonte renovável e devido ao potencial geotérmico existente em Portugal. Tal como a energia solar, a energia geotérmica tem sido estudada como fonte de energia no processo de digestão anaeróbia para a produção de biogás (Dong & Lu, 2013). Esen e Yuksel (2013) estudaram uma solução combinada de biogás, energia solar e energia geotérmica para aquecimento de uma estufa na Turquia (Figura 1.4). Aquecimento Bomba de calor Vaso de expansão Coletores solares Canalização de biogás Estufa Casa Reator para produção de biogás Coletor geotérmico horizontal (espiral) Figura 1.4 Representação esquemática do sistema de aquecimento da estufa. (Adaptado de Esen & Yuksel, 2013) Esen e Yuksel (2013) comprovaram que a produção de biogás foi garantida, os níveis de temperatura necessários para manter vivas as plantas na estufa e para estabilizar a temperatura do biodigestor foram eficientemente assegurados pelos coletores solares e 8

39 Capítulo 1 - Introdução pelo sistema geotérmico. A utilização de energia geotérmica combinada com o sistema solar térmico revelou-se uma alternativa bastante interessante. A energia solar obtida pelos coletores pode ser armazenada no subsolo permitindo um aumento considerável da temperatura deste. O calor daí gerado aquece o biodigestor (reator) ou pode ser aproveitado em coletores geotérmicos para aquecimento da estufa. Na presente dissertação será analisada energeticamente a digestão anaeróbia de RUB para a produção de biogás, equacionando-se um sistema solar ou um sistema geotérmico, para aquecimento dos biodigestores Estrutura da Dissertação A presente dissertação é composta por seis Capítulos, incluindo um primeiro de introdução ao tema e um final de conclusões. No segundo Capítulo apresentam-se as fontes renováveis de energia para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. No terceiro Capítulo estuda-se a utilização de lamas de ETAR como substrato da digestão anaeróbia para produção de biogás, através da realização de ensaios à temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação. O dimensionamento dos sistema solar térmico é apresentado no Capítulo 4. São calculadas as necessidades de aquecimento da digestão anaeróbia em função da temperatura ótima e da massa volúmica de matéria orgânica. Avalia-se a viabilidade económica da energia solar como fonte de calor na produção de biogás. Realiza-se o estudo de impacte ambiental da substituição da solução convencional pelo sistema solar térmico no fornecimento de calor para aquecimento dos biodigestores. Finalmente, no Capítulo 5 dimensiona-se um sistema de aquecimento de biodigestores a energia geotérmica para duas tecnologias distintas: captação através de coletores geotérmicos (GCHPs) horizontais ou verticais. Estuda-se sob o ponto de vista económico e energético a utilização da energia geotérmica como alternativa à solução tradicional ou à energia solar para a produção de biogás. 9

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41 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte de calor para a digestão anaeróbia A digestão anaeróbia é um processo biológico que tem lugar na ausência de oxigénio e através do qual se verifica a degradação da matéria orgânica por ação de microrganismos, para produzir biogás. O processo de degradação ocorre por ação combinada de diferentes populações microbianas, anaeróbias facultativas ou anaeróbias obrigatórias, segundo três etapas principais: i) Hidrólise e acidogénese: São as duas primeiras etapas do processo, ocorrendo a hidrólise de matéria complexa em compostos mais simples. Os produtos finais principais desta etapa são ácidos gordos voláteis, dióxido de carbono e hidrogénio. Em alguns processos industriais o processo de hidrólise é efetuado numa etapa preliminar de forma a degradar os hidratos de carbono, antes da matéria ser adicionada ao digestor. Este método possibilita um maior rendimento na produção de metano e reduz o tempo de digestão; ii) Acetogénese: Nesta etapa, as bactérias acetogénicas são responsáveis pela decomposição dos produtos da acidogénese. Os principais produtos deste processo são o acetato, o hidrogénio e o dióxido de carbono; iii) Metanogénese: As bactérias metanogénicas concretizam a fase final do processo, convertendo o ácido acético, o hidrogénio e o dióxido de carbono em metano. Estas bactérias podem ainda usar como substrato o metanol e outros compostos. Neste processo, parte da matéria biodegradável é transformada em biogás, gás essencialmente constituído por metano e dióxido de carbono, resultando o excedente na produção de composto com possível valor comercial (eds.norte, 2008). Com se trata de um processo biológico, manter as condições de vida é essencial. Assim sendo, a digestão anaeróbia é influenciada pela temperatura, concentração de 10

42 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia matéria orgânica no biodigestor, tipo de matéria orgânica (substrato), tempo de retenção hidráulico (TRH) e agitação, etc. Estas diferenças no modo de operação e tipo de processo apresentam se nos próximos subcapítulos Fatores que influenciam a digestão anaeróbia Temperatura A temperatura à qual a digestão anaeróbia ocorre influência significativamente a qualidade, a estabilidade e a velocidade de reação e consequentemente a produção de metano. Existem três intervalos de temperatura ótimos (Figura 2.1) distintos para a digestão anaeróbia: psicrofílico (<30 C), mesofílico (30-50 C) e termofílico (50-60 C). Contudo os micro-organismos anaeróbicos produtores de metano estão presentes nos intervalos mesofílicos e termofílicos, sendo que a maioria deles pertence à digestão mesofílica (Hilkiah Igoni et al., 2008) Micro-organismos termofílicos Temperatura [ºC] Micro-organismos mesofílicos Tempo de retenção em dias Figura 2.1 Influência da temperatura no tempo de retenção para que a digestão anaeróbia ocorra. [Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008] Durante o intervalo termofílico, com o aumento da temperatura, o processo de digestão anaeróbia torna-se gradualmente mais instável, requerendo mais energia, apenas alguns microorganismos conseguem produzir metano. Hilkiah Igoni et al. (2008) e Deublein e Steinhauser (2008) repararam que selecionar o intervalo de temperaturas adequado é vital, mas que a estabilidade do processo de digestão anaeróbia é um fator ainda 11

43 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia mais importante. Os micro-organismos metanogénicos são sensíveis a variações repentinas de temperatura. Mesmo variações pequenas da temperatura podem levar a uma diminuição substancial da atividade dos micro-organismos, para intervalos de temperatura mesofílicos de 40 C a 50 C chega mesmo a ser um processo irreversível, com perda completa da atividade (Deublein & Steinhauser, 2008) Assim, as oscilações de temperatura nunca deverão ultrapassar os 2 C. Caso contrário, poderão ocorrer perdas na ordem dos 30% na produção de metano. Deublein e Steinhauser (2008) defendem que o balanço de energia é melhor para intervalos mesofílicos de que para intervalos termofílicos. Assim, o intervalo de temperatura ótimo escolhido para a produção de metano é o intervalo mesofílico de 30 C a 40 C Tempo de retenção hidráulico (TRH) O volume do digestor pode ser definido com base no tempo de retenção de sólidos dado que o processo de digestão é função do tempo requerido pelos micro-organismos para digerir a matéria orgânica e para a reprodução. Em sistemas sem retirada de sobrenadante, o tempo de retenção de sólidos (TRS) é igual ao tempo de retenção hidráulico (TRH) (Garcia, 2011). A digestão anaeróbia é um processo lento e leva cerca de três semanas para que os micro-organismos de adaptem às novas condições, sempre que a temperatura ou o substrato variem (Rajendran et al., 2012). TRT é o tempo médio de retenção da matéria orgânica no biodigestor. Para intervalos mesofílicos o tempo de retenção varia entre 20 e 50 dias (Figura 1.5). Com tempos de retenção mais curtos há risco das bactérias metanogénicas sofrerem lavagem, enquanto que tempos de retenção mais longos requerem um maior volume de biodigestor e consequentemente um maior investimento (Yadvika et al., 2004). 12

44 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Agitação A agitação é também um parâmetro essencial para otimizar a produção de biogás. Agitação a mais pode stressar os micro-organismos e na ausência de agitação há formação de escória (Rajendran et al., 2012).A agitação serve para manter a concentração de matéria orgânica uniforme, mantendo a temperatura constante e prevenindo a formação de escória e a deposição de resíduos sólidos. Os principais sistemas de agitação em digestores anaeróbios incluem: a) recirculação de lamas, b) agitação mecânica e c) recirculação e injeção de biogás (Hilkiah Igoni et al., 2008 e Yadvika et al., 2004). A agitação nem sempre é aplicada de forma contínua, é muitas vezes intermitente, podendo ser realizada várias vezes ao dia ou por hora (Ward et al.,2008) Tipo de matéria orgânica (substrato) Em teoria, quase todos os tipos de biomassa são degradáveis por processos anaeróbios. Contudo, a escolha de substrato depende da sua facilidade de acesso, do tipo de biodigestor e das condições de operação. Os resíduos deverão conter os níveis adequados de matéria orgânica e de elementos essenciais ao crescimento e multiplicação dos microrganismos intervenientes no processo (Gonçalves, 2005). Os dejetos de bovino/suíno são a fonte tradicional para produção de biogás por digestão anaeróbia. A sua escolha devese ao elevado teor em metano, cerca de 60%, para dejetos de suíno, e cerca de 50%. para dejetos de bovino. Já os RUB são substratos pouco explorados, pois contêm um alto teor em gordura (gordura animal ou óleo vegetal) que pode aumentar significativamente a quantidade de biogás produzida (Rajendran et al., 2012). Os diferentes tipos de substratos utilizados para a produção de biogás, estão classificados de acordo com a quantidade de matéria seca, teor de cinzas, nutrientes digestíveis totais e quantidade de biogás produzida (Tabela 2.1). 13

45 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Tabela 2.1 Caracterização dos diferentes tipos de substratos utilizados para produção de biogás. [Fonte: Rajendran et al., 2012] Tipo de substrato Classificação Matéria seca (%) Teor em cinzas (%) Nutrientes digestíveis (%) Quantidade de biogás produzida Bovino ,6-0,8 m 3 /kg TS Suíno n.d. n.d. 0,27-0,45 m 3 /kg TS Dejetos Bufálo 14 n.d. n.d. n.d. Cavalo 28 n.d. n.d. 0,4-0,6 m 3 /kg TS Humanos 20 n.d. n.d. n.d. Arroz ,55-0,62 m 3 /kg TS Trigo ,188 m 3 /kg VS Resíduos Agricultura Milho 86 n.d. n.d. 0,4-1,0 m 3 /kg TS Erva ,28-0,55 m 3 /kg VS Café 28 8 n.d. 0,300-0,450 m 3 /kg VS Leite n.d. Vegetais 5-20 n.d. n.d. 0,4 m 3 /kg TS Restos de comida Fruta n.d. Ovos 25 n.d. n.d. 0,97-0,98 m 3 /kg TS Cereais n.d. n.d. 0,4-0,9 98 m 3 /kg TS Cozinha/Restaurante 27/13 13/8 n.d. 0,506/0,650 m 3 CH 4/kg VS *n.d.- não disponível; VS Sólidos Voláteis; TS Sólidos Totais 14

46 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Tipos de biodigestores (reatores) Existem dois tipos básicos de biodigestores (reatores) que podem ser utilizados para processos de digestão anaeróbia, descontínuo e contínuo (Figura 2.2). Num processo batch ou descontínuo, a matéria orgânica é introduzida na totalidade no reator, ficando retida durante um determinado período de tempo até ao final da degradação. Isto implica que as diferentes fases de degradação ocorram sequencialmente e que a produção de biogás se processe de forma descontínua. Num processo contínuo, a matéria orgânica está continuamente a ser adicionada ao reator com consequente saída contínua de matéria tratada, permitindo que o volume se mantenha constante ao longo do tempo. Nesse sentido, as reações ocorrem simultaneamente, produzindo biogás de forma contínua. Figura Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo. [Fonte: eds.norte, 2008] Existem três modelos principais de digestores anaeróbios em descontínuo (Figura 2.3): reator simples de apenas uma fase, reator descontínuo de duas fases (neste caso a metanogénese ocorre apenas no segundo reator) e reator descontínuo híbrido UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). 15

47 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Figura Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com biomassa em suspensão. [Fonte: eds.norte, 2008] O CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) trata-se do modelo de digestor anaeróbio mais utilizado que se caracteriza pela ininterrupta alimentação, assim como, pela contínua saída de efluente do mesmo. A agitação proporciona as condições de mistura fundamentais ao funcionamento adequado do sistema. Devido às suas características é adequado para o tratamento de resíduos concentrados, com elevado teor de sólidos e de material grosseiro, facilitando a manutenção da biomassa estável no interior do digestor. O reator de contacto é semelhante ao CSTR, no entanto, apresenta um sistema de separação e recirculação de lama. O processo de um digestor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) consiste na formação de grânulos de microrganismos que devido à sua densidade apresentam facilidade de sedimentação e proporcionam uma grande área ativa para contacto com o substrato, 16

48 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia aumentando o rendimento do processo. Este modelo de reator tem capacidade para tratar elevadas cargas orgânicas de natureza solúvel. O modelo fluxo-pistão caracteriza-se pela entrada do resíduo no digestor por um dos lados provocando a deslocação de todo o conteúdo do digestor, culminando com uma saída do lado oposto da mesma quantidade de resíduo tratado. O biogás formado fica retido na cobertura de tela Energia Solar A energia solar apresenta um potencial elevadíssimo. Esta energia alcançada na terra, relativamente a duas semanas, é equivalente à energia armazenada em todas as reservas conhecidas de carvão, petróleo e gás natural. A energia solar atinge a atmosfera terrestre com a intensidade da ordem de 1373 W/m 2 e dispõe de uma média anual de 2200 a 3000 horas de Sol no Continente, e de 1700 e 2200 horas, respetivamente, para os arquipélagos dos Açores e da Madeira. Em condições de céu claro e segundo um plano perpendicular este valor reduz-se a cerca de 1000 W/m 2 junto à superfície terrestre, uma vez que parte desta energia inicial é absorvida ou refletida pela atmosfera (Figura 2.4) (DGEG, 2013). 17

49 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Figura Representação gráfica da radiação solar global na Península Ibérica (valores anuais em kwh/m2). [Fonte: Todas as formas de energia renovável são, de um modo geral, com exceção da energia geotérmica e da energia das marés, derivadas da energia solar, com a qual estão relacionadas. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Um sistema solar é composto por três elementos básicos, sendo eles, a disposição do coletor, do sistema térmico de armazenamento e da carga. A maioria dos sistemas solares consiste numa combinação de fontes solares e auxiliares, sendo estes apelidados de sistemas ativos. Os sistemas ativos são considerados, em que o transporte de calor se faz por meios artificiais, ou seja, sendo necessário despender energia. Este é o caso de sistemas de aquecimento de águas em que o fluido que circula nos coletores é acionado por uma bomba. 18

50 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Nos sistemas passivos o transporte e utilização do calor são feitos por meios naturais, sem dispêndio de energia auxiliar. A circulação do fluido térmico pode realizar-se de duas formas: i) Sistema de circulação forçada: utiliza uma bomba que promove o transporte do fluido térmico entre os coletores e o depósito. O fluido no circuito primário transfere o calor através de um permutador (e.g. serpentina) que pode estar ou não localizado no interior do depósito acumulador da água de consumo. Trata-se de um sistema regulado através de comando diferencial que ativa a bomba sempre que a água estiver mais quente nos coletores do que no depósito; ii) Sistema com termossifão: dependente da circulação natural do fluido térmico, com base na diferença de densidades e na ação da gravidade. Sempre que exista diferença de temperatura entre o depósito e o coletor, a água quente, tendo uma densidade menor, sobe do coletor para o depósito sendo reposta por água mais fria que desce e reentra no coletor Vantagens e desvantagens da energia solar térmica A utilização de energia solar em Portugal tem algumas vantagens óbvias, que começam na quantidade de horas de sol existentes no nosso país. É a fonte de energia mais barata, diminuindo os custos de exploração, aumenta a independência dos aumentos de preços dos combustíveis fosseis, logo permite obter uma poupança energética e económica (que chega a atingir em alguns casos mais de 80%) e constante, mesmo nos dias nublados, não polui o ambiente. Também a grande disponibilidade de tecnologia no mercado, são fatores que transformaram a energia solar térmica uma das mais comuns, vantajosas e atrativas formas de energia renovável. A grande desvantagem deste tipo de energia, é o elevado investimento inicial na instalação solar, apresenta-se por vezes, como o maior entrave ao desenvolvimento desta situação. 19

51 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Coletores solares Este tipo de energia é determinada pela capacidade de um dado corpo ser capaz de absorver energia, sob a forma de calor, a partir da radiação solar. A utilização desta forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Neste contexto, os equipamentos mais utilizados com o objetivo específico de se utilizar a energia solar térmica são conhecidos como coletores solares. Os coletores solares são, em termos práticos, aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos), e são classificados por coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. De um modo geral, os coletores a água (líquido), são mais usados, uma vez que os líquidos transferem melhor o calor que o ar. A água é aquecida usando a energia proveniente dos raios solares captados por um ou mais coletores solares. No sistema solar a instalar, para além dos coletores solares é incluído um acumulador, que terá a função de armazenar água quente. Para assegurar a continuidade do abastecimento de água quente nos dias mais cinzentos, um sistema solar tem de contemplar a existência de um sistema de apoio energético. Existem vários tipos de coletores solares térmicos (sem cobertura, planos, seletivos, vácuo, CPC, etc.), cada um destinado a diferentes aplicações com custos e ganhos energéticos próprios (Figura 2.5). a) b) c) Figura Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano; b) Coletor concentrador parabólico; c) Coletor de tubos de vácuo. [Fonte: O coletor solar plano é o mais comum e destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 60ºC. É formado por uma: a) cobertura transparente que serve para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a 20

52 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia estanquicidade do coletor; b) placa absorsora: serve para receber a energia e transformá-la em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maior rendimento existem superfícies seletivas que absorvem como um corpo negro mas perdem menos radiação; c) caixa isolada que serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do coletor dos agentes externos. Ao fazer circular o fluido térmico através dos tubos dos coletores, retira-se calor destes podendo aproveitar este calor para aquecer um depósito de água; Os coletores de tubo de vácuo consistem geralmente em tubos de vidro transparente cujo interior contêm tubos metálicos (absorvedores). A atmosfera interior dos tubos livres de ar, eliminam desta forma as perdas por convenção, elevam o rendimento a altas temperaturas devido a menores coeficientes de perda a eles associados; Os coletores concentrador parabólico (CPC) distinguem-se dos coletores planos pelo uso de refletores para concentração da radiação e pela geometria da superfície absorsora. Nos coletores planos existe uma superfície plana à qual estão soldados os tubos. No caso dos CPC s a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e colocadas no foco da superfície refletora. A captação solar realiza-se nas duas faces das alhetas já que o sol incide na parte superior das alhetas e os raios que são refletidos acabam por incidir na parte inferior das alhetas, aumentado assim ainda mais a temperatura do fluido e diminuindo as perdas térmicas. Os coletores solares planos são, hoje em dia, largamente usados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc. Estes coletores são largamente utilizados nestas áreas, devido ao facto de proporcionarem conforto e também, pelo facto, de ser possível obter uma redução da fatura energética. Os coletores planos não permitem obter temperaturas superiores a 90ºC. Quando se pretende temperaturas mais elevadas têm de se usar coletores de vácuo (até 50ºC), ou concentradores (temperaturas ainda superiores). Os coletores solares são normalmente dimensionados para satisfazer entre 60% a 80% das necessidades de água quente (evitando sobreaquecimentos). Os restantes 20% são assegurados por outra fonte de aquecimento (sistema auxiliar), normalmente eletricidade ou gás. 21

53 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Um sistema de aquecimento deste tipo implica a instalação de uma série de painéis solares em coberturas inclinadas, estando quase sempre por debaixo deles, dentro ou fora da cobertura, o reservatório térmico de água. Estes sistemas de aquecimento, prevendo os dias de céu encoberto, estão associados a sistemas complementares de aquecimento elétricos, a gás ou energia geotérmica, que se ligam automaticamente quando o nível de aquecimento pretendido não for atingido Contributo para a redução das emissões de CO2 O agravamento do efeito de estufa é um dos problemas mais discutidos na atualidade, sobretudo pela queima de combustíveis fósseis para produção de energia elétrica, originando um elevado volume de emissões de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. Em 1997 foi aprovado no âmbito das Nações Unidas o Protocolo de Quioto, onde foram identificados muitos dos gases responsáveis pelo aumento do efeito de estufa, nomeadamente o CO2, o metano, o óxido nitroso, os clorofluorcarbonetos, etc. O contributo que os sistemas solares térmicos podem ter na redução de emissões de CO2e (1) (CO2 equivalente) pode ser expresso indiretamente pela quantidade de combustível fóssil que se evitou queimar, na produção de Águas Quentes Sanitárias (AQS). À escala nacional, a extensão da adoção de sistemas solares térmicos para mais 20% das famílias portuguesas daria origem a uma redução de emissões de CO2 apresentada na Figura

54 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Figura Estimativa de poupança de emissões de CO 2e na produção de AQS através da implementação de instalações solares térmicas em 20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)] Da análise da Figura 2.6 conclui-se que os GPL s são responsáveis por mais de 190 mil toneladas de CO2e e o gás natural com mais de 107 mil toneladas. (1) A unidade CO 2 equivalente corresponde a uma média pesada das quantidades emitidas por cada gás, pela sua atividade em termos de aumento do efeito de estufa. Os principais gases com efeito de estufa pertinentes na análise são o dióxido de carbono, o metano e o óxido nitroso, com os respetivos pesos CO 2=1, CH 4=21 e N 2O=310. [Duarte, P. (2012)] 23

55 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia 2.3. Energia Geotérmica A Terra contém uma notável quantidade de calor. Segundo os conhecimentos atuais, cerca de 99% da sua massa encontra-se a temperaturas que ultrapassam os 1000 C, com valores compreendidos entre os 6000 e os 6500 C no núcleo central. A energia geotérmica é a designação dada ao aproveitamento do calor proveniente do interior da Terra. O interesse atual por este tipo de calor deve-se ao facto de poder vir a ser uma importante fonte de energia alternativa, que pode ser utilizada, por exemplo, para produzir energia elétrica, para realizar processos tecnológicos, para aquecer ambientes e para obter AQS (água quente sanitária). O aproveitamento da energia geotérmica implica a existência de um fluido que transporta o calor do interior da terra para a superfície. Os recursos geotérmicos são normalmente classificados de acordo com a entalpia específica do fluido, sendo divididos, em duas categorias: a) Recursos de baixa entalpia com temperaturas entre 20 e 150ºC, com aplicações diversas: no aquecimento industrial, de habitações (climatização e AQS) ou estufas, na desidratação de frutos e vegetais, aquacultura, balneoterapia, entre outros; b) Recursos de alta entalpia com temperaturas superiores a 150ºC, em que o calor latente pode ser convertido em energia elétrica. Portugal continental possui um apreciável potencial geotérmico, devido à sua complexa e diversificada geologia, evidenciada pelo elevado número de ocorrências com temperatura de emergência superior a 20 C, utilizadas com finalidades termais desde a colonização romana (Figura 2.7). Considerando como água termal a água de origem subterrânea, cuja temperatura de emergência excede os 20 C, verifica-se que muitas águas minerais possuem temperatura superior a esse valor. As ocorrências de água termal em Portugal continental encontram-se desigualmente distribuídas observando-se uma concentração mais pronunciada a Norte. Isto deve-se à localização dos acidentes tectónicos, que favorecem a circulação ascendente rápida dos fluidos. 24

56 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Maciço Hespérico Zona Centro Ibérica Sub-zona Galiza Média Zona de Ossa Morena Zona Sul Portuguesa Orlas Meso-Cenozóicas Ocidental e Meridional Bacia Terciária do Tejo e Sado Ocorrência Termal Ocorrência termal em exploração Temperaturas 20ºC T < 40ºC 40ºC T < 60ºC 60ºC T < 80ºC Falha Possível falha Figura Localização das ocorrências termais cuja temperatura de emergência é superior a 20ºC. [Fonte: 25

57 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Nos últimos anos tem-se vindo a observar um interesse crescente na realização de estudos e projetos para o aproveitamento da energia geotérmica, para uso direto, nomeadamente o aquecimento dos próprios estabelecimentos termais, de unidades hoteleiras, de piscinas, de estufas agrícolas e para AQS (Figura 2.8). O aproveitamento do recurso geotérmico de baixa entalpia é uma alternativa de futuro, como já acontece em outros países da Europa, espera-se o crescimento deste mercado em Portugal. a) b) Figura Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das Dunas, localizada na Costa de Prata, Santa Cruz é um projeto eco-friendy que utiliza a energia geotérmica para o aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A água proveniente das termas de Chaves é utilizada para aquecimento do hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte: e Lourenço, M. (n.d.)] A energia geotérmica, em relação a outras fontes de energia, tem a vantagem de não depender das condições atmosféricas (por ex.: sol, vento ou marés), nem sequer das reservas de substâncias combustíveis (por ex.: biomassa). Trata-se, por isso, de um tipo de energia estável e fiável. Com os sistemas Ground Source Heat Pumps (GSHP) é possível aproveitar o calor armazenado no subsolo ou em águas freáticas para climatizar os nossos edifícios de forma mais económica, contribuindo para solucionar o problema da degradação ambiental do planeta. Nas estações frias, o calor armazenado no subsolo é recuperado através de um sistema de tubos subterrâneos, localizado perto da bomba de calor. Nas estações frias o processo é invertido, sendo o calor transferido e dissipado no solo. 26

58 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Este sistema permite que estas unidades tenham uma elevada eficiência energética. As bombas de calor conseguem proporcionar por si só o aquecimento no Inverno ou o arrefecimento no Verão, constituindo um sistema de climatização integral com uma única instalação. A bomba de calor funciona a eletricidade, não necessitando de outra fonte de energia como combustíveis fósseis. Assim, não liberta gases resultantes de queima, nomeadamente CO2, tonando-se uma tecnologia muito competitiva em termos de conforto, também devido ao reduzido nível de ruído. Com a profundidade aumenta o rendimento térmico dos sistemas geotérmicos (Figura 2.9), já que abaixo dos 20 m (devido ao efeito do calor produzido pela terra) a temperatura do subsolo cresce cerca de 3 C a cada 100m. Fevereiro Maio Novembro Agosto Figura Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo. [Fonte Um sistema GSHP tem três componentes principais: uma bomba de calor, uma ligação à terra e um sistema de distribuição aquecimento/arrefecimento no interior do edifício (Figura 2.10). Estes três componentes principais, juntamente com as diferentes configurações de conexão de terra constituem uma instalação típica de GSHP. 27

59 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia Figura 2.10 Componentes do sistema GSHP: 1) Bomba de calor; 2) Ligação à terra; 3) Sistema de aquecimento/arrefecimento do interior [Fonte: Tavares J. (2011)] A ligação à terra é onde o calor do subsolo se transfere para o fluido que circula nos tubos (de polietileno) enterrados. O fluido que circula é uma mistura entre água e uma solução anticongelante. Para além do subsolo como fonte de calor, também se usa águas subterradas ou mesmo águas superficiais. A American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) adotou a seguinte nomenclatura para distinguir os vários tipos sistemas de ligação terra existente: a) Ground - Coupled Heat Pumps (GCHPs) usa a terra como fonte de calor e utilizam-se permutadores horizontais ou verticais; b) Groundwater Heat Pumps (GWHPs) usa águas subterrâneas (lençóis freáticos) como fonte de calor. No sistema GCHPs horizontal (Figura 2.11-a) os tubos são colocadas horizontalmente à superfície do terreno de 0,8 a 4 metros de profundidade conforme a orientação geográfica. São tubos sob pressão em polietileno ou cobre revestidos de PVC nos quais circula água glicolada ou fluido frigorígeno. Este sistema precisa de uma superfície de terreno de 1,5 a 2 vezes a superfície habitável a aquecer. A natureza do solo e a exposição do terreno têm muito pouca influência no sistema. O sistema não provoca nenhuma modificação no terreno: é possível jardinar, colocar relvado e arbustos à 28

60 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia superfície do sistema. É possível plantar árvores ou colocar um revestimento (alcatrão, etc.) a uma distância mínima de 2 metros da zona de captação. Os sistemas GCHPs verticais (Figura 2.11-b) não ocupam espaço no terreno e apresentam menos flutuações de temperatura porque as sondas são colocadas num ou vários furos de 80 a 162 metros de profundidade, no entanto o custo de instalação é superior ao do GCHPs horizontal. No sistema GWHPs (Figura 2.11-c) o circuito capta o calor da água de um lençol freático com um furo profundo geralmente de 8 a 50 metros, segundo as regiões. A bomba de calor capta a energia contida, não no solo como na captação horizontal ou vertical, mas na água do lençol freático que se mantém a uma temperatura constante todo o ano (de 9ºC a 12ºC). Este sistema bombeia a água por perfuração num primeiro furo a montante do lençol freático e em seguida deposita-a num segundo furo, ou num poço a jusante do lençol freático. a) b) c) Figura 2.11 Sistemas de ligação à terra para captação de energia geotérmica: a) captação horizontal; b) captação vertical; c) captação do lençol freático. [Fonte: 29

61 Capítulo 2 Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia A utilização de GSHP, como tecnologia que permite a troca de energia com a crosta terrestre através de permutadores instalados no solo, poderá representar um potencial acrescido para a geotermia nacional. Nesta dissertação esta fonte de energia renovável irá ser utilizada para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia (Capítulo 5), podendo constituir uma solução alternativa à queima de biogás produzido e/ou funcionar como sistema auxiliar de energia do sistema solar térmico. 30

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63 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás 3.1. Introdução A fração orgânica dos RSU, designada por resíduos sólidos biodegradáveis (RUB), é constituída por componentes que podem ser convertidos biologicamente, através da digestão anaeróbia, em biogás. As lamas de ETAR constituem uma importante fonte de matéria orgânica, uma vez que a sua produção anual é, a nível europeu, cerca de duas vezes superior à dos RSU, atingindo cerca de um terço da produção anual dos resíduos provenientes das explorações pecuárias. Em Portugal, a produção de lamas atingiu as toneladas em 1998, prevendo-se que possa alcançar quantidades da ordem das toneladas de matéria seca em 2005 (Gonçalves, 2005). Este tipo de lamas constitui um subproduto do processo de depuração das águas residuais urbanas que afluem às redes de saneamento municipais, vulgarmente - esgotos, águas essas que apresentam elevados níveis de sólidos suspensos, de carência bioquímica de oxigénio e de microrganismos de origem fecal, eventualmente patogénicos. Quando depositadas no solo sem qualquer tratamento, as lamas libertam gases tóxicos, resultado da decomposição anaeróbia, o que origina poluição atmosférica e riscos para a saúde, contaminação do solo e das águas subterrâneas. Os metais pesados têm um efeito cumulativo e tóxico, pelo que, a ingestão de alimentos produzidos no solo contaminado e a utilização destas águas de má qualidade pode ser letal (Vaz, F., 2009). O biogás será produzido a partir da digestão anaeróbia de lamas de ETAR. A escolha das lamas de ETAR como substrato deve-se não só à sua abundância e facilidade de recolha, mas também porque o aproveitamento dos resíduos urbanos biodegradáveis (RUB) é essencial para que sua deposição em aterros seja atenuada, idealmente extinta. 31

64 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás A digestão anaeróbia de lamas para produção de biogás é uma tecnologia eficiente e amiga do ambiente, que possibilita a produção de calor, eletricidade, enquanto reduz o volume de RSU. Em 2006, na Finlândia, 15 biodigestores produziram 23,5 milhões de m 3 de biogás dos quais 20,3 milhões foram utilizados para produção de energia (28 GWh de eletricidade; 79 GWh de calor; 1,9 GWh de energia mecânica) (Luostarinen et al., 2009). As caraterísticas dos RUB (Tabela 3.1) podem variar de acordo com a zona ou país de origem, devido ao consumo de água e à indústria local. A quantidade total de sólidos (TS) contida nas lamas é normalmente pequena quando comparada com o volume total de lamas. Com a digestão anaeróbia das lamas há degradação dos sólidos voláteis (VS) - a fração orgânica das lamas, e consequentemente ocorre uma diminuição do volume inicial (Luostarinen et al., 2009). Segundo Luostarinen et al. (2009), a temperatura ótima de funcionamento de um biodigestor para produção de biogás a partir de lamas de ETAR situa-se entre 35 a 38ºC. Tal como vimos no Capítulo 2, este intervalo encontra-se dentro do intervalo de temperaturas mesofílico. Mas tanto Luostarinen et al. (2009) como Davidsson et al., (2008) utilizaram 35ºC como temperatura ótima para a realização dos seus ensaios para produção de biogás a partir de lamas. As lamas de ETAR são facilmente biodegradáveis, e apresentam um potencial de produção de metano aproximado de m 3 /t de volume de sólidos adicionado. Tabela 3.1 Massa volúmica dos RUB utilizados para a produção de biogás. [Fonte: Russo, n.d. e Rasquilha, 2010] Tipo de substrato (RUB) Massa volúmica (kg/m 3 ) Restos de comida Papel 130 Têxteis 100 Resíduos jardim 225 Madeira Lamas ETAR 560 Neste Capítulo apresentam-se os resultados obtidos com a realização de quatro ensaios experimentais com lamas, provenientes da ETAR de Valongo. 32

65 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás 3.2. Equipamento Para a disposição o equipamento dividiu-se a bancada em três partes (Figura 3.1), a parte inferior, onde se colocaram dois banhos térmicos, a parte intermédia que suporta quatros biodigestores, e a parte superior onde foram acoplados quatros agitadores, para que estes ficassem alinhados com os biodigestores correspondentes. No topo da bancada encontram-se quatros balões ligados aos respetivos biodigestores. Figura Disposição do equipamento experimental na bancada Biodigestores Para os ensaios, utilizaram-se quatro biodigestores de parede dupla (Figura 3.2), onde no interior das paredes circula água quente, fornecida pelo banho termostático, que permite manter as lamas à temperatura ótima desejada. Os digestores são da marca Lenz, modelo LF150, construídos em vidro, têm uma configuração cilíndrica e um volume de 5 litros. Este recipiente contém quatro orifícios, sendo um deles para instalar um agitador, outro para a saída do biogás produzido, e os dois restantes servem para controlar outros parâmetros. 33

66 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Figura Biodigestor de parede dupla Agitador mecânico Utilizou-se um agitador mecânico de hélice, da marca VELP SCIENTIFICA, modelo F (Figura 3.3). Este funciona para média e baixa velocidade na agitação de líquido, sendo que tem uma capacidade de agitação até 15L de água, com ajuste de velocidade a variar entre 50 e 1300rpm. O aparelho dispõe de um sistema de segurança, que o bloqueia em caso de sobreaquecimento. Figura Agitador mecânico de hélice. 34

67 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Banho Termostático O banho termostático foi utilizado para aquecer a água que circulava no interior da parede dos biodigestores, e consequentemente manter as lamas à temperatura pretendida. É da marca Huber, construído em aço inoxidável com isolamento, e é adequado para aquecer água até temperaturas de 200ºC, e tem uma capacidade de 8,5-25 litros (Figura 3.4). Este banho tem incorporado um controlador CC-E (Compatible Controle), com um termóstato de imersão e uma bomba de pressão. As partes que estão em contacto com a água, ou sujeitas à humidade, são em aço inoxidável. Figura Banho termostático Analisador de Gases O analisador portátil de gases serviu para analisar a constituição do gás resultante da digestão anaeróbia. A Figura 3.5 ilustra o analisador utilizado, da marca madur, modelo GA-40Tplus. A sua base de funcionamento são sensores eletroquímicos e sensores infravermelhos de gás, podendo ser equipado com nove sensores, dos quais, sete sensores são eletroquímicos e dois são infravermelhos. Os primeiros sensores medem a concentração de inúmeros gases, como o oxigénio (O2), óxido nítrico (NO2) e o monóxido de carbono (CO), e os sensores infravermelhos permitem a realização de medições de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Este instrumento também permite o cálculo da concentração de CO2. 35

68 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Figura Analisador de gases Procedimento experimental Colocaram-se 5,3dm3 de lamas em cada um dos biodigestores, que posteriormente foram fechados, bem como a válvula V3, indicada na Figura 3.6, para que não ocorre-se a entrada de oxigénio no interior dos reatores. Os biodigestores foram mantidos a uma temperatura ótima de 35ºC durante 30 dias (TRH), através do banho termostático, que aqueceu a água até à temperatura desejada, e com o auxílio da bomba incorporada fez-se com que a água quente escoasse pelo interior da parede dupla do biodigestor. Para a recolha da mistura gasosa produzida, ligaram-se uma mangueira e um balão ao orifício indicado (um balão e uma mangueira para cada digestor), servindo o balão de reservatório. Estes balões foram fabricados em folha de alumínio, de modo a serem impermeáveis ao gás e evitar fugas. As válvulas V1 e V2 mantinham-se abertas, para que o biogás gerado no interior dos biodigestores subisse para os balões. Pode observar-se a instalação do sistema de produção de biogás na Figura 3.7. Dois dos biodigestores foram agitados e os outros dois não, todos os dias, três vezes ao dia (10h, 14h e 18h), durante 15 minutos, exceto ao fim-de-semana (Tabela 3.2). A agitação é feita de forma parcial pois segundo Tabatabaei et al. (2011) a agitação contínua e de alta rotação pode reduzir significativamente a produção de biogás. 36

69 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Figura Esquema de funcionamento do biodigestor. [Fonte: Cardoso, 2011] Tabela 3.2 Procedimento experimental. Temperatura HRT Agitação Biodigestor 1 35ºC 30 dias 3 vezes ao dia 15min Biodigestor 2 35ºC 30 dias Sem agitação Biodigestor 3 35ºC 30 dias 3 vezes ao dia 15min Biodigestor 4 35ºC 30 dias Sem agitação 37

70 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás Figura Sistema experimental de digestão anaeróbia para produção de biogás em funcionamento Apresentação e discussão de resultados No final dos 30 dias de retenção, analisou-se a composição do gás produzido em cada um dos biodigestores (Tabela 3.3). Na execução de cada análise ao biogás obtido começou-se por fechar as válvulas V1 e V2, para que o processo anaeróbio continue isolado do meio exterior. Em seguida, tapou-se a extremidade da mangueira, que estava ligada ao biodigestor, para reter o biogás no interior do balão. Por fim, calibrou-se o analisador de gases, colocando-se posteriormente o equipamento de análise para obtenção da respetiva composição. Tabela 3.3 Quantidade de CO2, CH4 e H2 presente no biogás produzido a 35ºC. Gás Com Agitação Sem Agitação Biodigestor 1 Biodigestor 3 Biodigestor 2 Biodigestor 4 CO2 41,88 % 50,30 % -. 58,88 % CH4 58,12 % 49,70 % - 41,12 % H2 (ppm) Analisando a Tabela 3.3 verifica-se que os biodigestores 1 e 3 foram os que produziram maior percentagem de metano, 58,12% e 49,70%, respetivamente. Muito provavelmente porque eram os biodigestores que funcionavam com agitação. Tal como se 38

71 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás referiu no Capítulo 2, a agitação é muito importante para impedir a estratificação do substrato (Figura 3.7 biodigestores 2 e 4). Ao prevenir a formação duma crosta à superfície, assegura que há transferência de calor para todas as partículas em suspensão no biodigestor, o que conduz à redução gradual do tamanho das partículas ocorrendo libertação de biogás do biodigestor para o balão (Tabatabaei et al., 2011). Apesar de ter funcionado sem agitação, o biodigestor 4 produziu uma quantidade de metano bastante aproximada da quantidade produzida pelos restantes biodigestores. Os biodigestores 1 e 2 foram os primeiros a receber as lamas, e estas deveriam conter menos quantidade de resíduos sólidos. Já que como não foi possível obter homogeneidade das lamas, antes das mesmas terem sido colocadas nos biodigestores, provavelmente ocorreu deposição de sólidos no fundo do recipiente. Os resíduos sólidos são a matéria orgânica com mais potencial para a degradação biológica e consequentemente para produzir uma maior quantidade de metano. Assim, a ausência de agitação no biodigestor 4 foi compensada pela elevada concentração de resíduos sólidos o que conduziu a que a produção de metano fosse semelhante à obtida pelos restantes biodigestores. Se os resultados da Tabela 3.3 forem comparados com os obtidos por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008), Tabela 3.4, verifica-se que todas as percentagens de metano produzidas pelos biodigestores em estudo distam em média 15% dos valores obtidos por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). As diferenças podem resultar da origem das lamas, que como já vimos, este fator pode influenciar a composição da matéria orgânica. As lamas de Luostarinen et al. (2009) foram recolhidas numa ETAR da Finlândia, que serve não só habitações mas também indústrias, já os ensaios de Davidsson et al. (2008), realizaram-se na própria ETAR localizada em Malmo, Suécia, com lamas provenientes da região de Malmo-Copenhaga. Tabela 3.4 Quantidades de metano obtidas por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). Estudos CH 4 (%) CH 4 (m 3 /tvs adicionado) Luostarinen et al. (2009) 62, Davidsson et al. (2008) 66,

72 Capítulo 3 Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás 3.5 Conclusões Realizaram-se quatro ensaios com lamas de ETAR à temperatura ótima de 35ºC e com um tempo de retenção hidráulico de 30 dias. Colocaram-se as lamas em quatro biodigestores, sendo que dois deles funcionavam com agitação e restantes sem agitação. Verificou-se que os biodigestores que produziram a maior quantidade de matéria orgânica foram aqueles que funcionaram com a agitação mecânica. Os biodigestores que estavam a funcionar com a agitação produziram mais 12,79% de metano que os restantes. Contatou-se que a homogeneidade da matéria orgânica, neste caso lamas, condiciona a produção de metano, pois previne a deposição de resíduos sólidos, que são a componente da matéria orgânica com mais potencial para a degradação biológica. Finalmente, compararam-se os resultados experimentais obtidos com os de outros autores, nomeadamente Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). A quantidade de metano produzida em média nos ensaios realizados foi de 49,65%, já Luostarinen et al. (2009) Davidsson et al. (2008) obtiveram respetivamente 62,75% e 66,67 de metano. Verificou-se que os valores obtidos são ligeiramente inferiores aos de Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). No entanto, esta diferença poderá ser explicada com a origem das lamas, sendo que as utilizadas nesta dissertação foram recolhidas em Valongo, Portugal, já as de Luostarinen et al. (2009) provêm da Finlândia, enquanto que as de Davidsson et al. (2008) de Malmo, Suécia. 40

73 Capítulo 4 Aquecimento Solar Capítulo 4 Aquecimento Solar 4.1. Introdução Atualmente há uma grande variedade de coletores solares disponíveis no mercado, desde gamas de painéis solares planos, concentradores ou parabólicos a painéis solares com tubos de vácuo. Assim torna-se indispensável a realização de um estudo em torno das características dos coletores solares de modo a obter a relação qualidade/preço mais adequada para produção eficiente de biogás. Neste Capítulo são equacionadas cinco soluções de sistemas solares térmicos capazes de satisfazer as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. São abordadas três tecnologias de coletores solares, o solar plano, o concentrador parabólico e o coletor de tubos de vácuo. Os modelos, de cinco marcas distintas, são o coletores solar plano Premium Sun da EnergyBand, o coletor solar plano da ENER-Q A200 da Martifer, o coletor solar plano Premium Sun da Vulcano, o coletor solar de tubos de vácuo da ENP e o coletor solar concentrador parabólico com tubos de vácuo SKR CPC da Logasol. Na análise de resultados comparam-se os valores de energia solar e do défice energético obtidos mensal e anualmente em cada um dos casos referidos anteriormente, e consequentemente o número de painéis necessários para garantir as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. Realiza-se ainda um estudo de viabilidade económica, onde são analisados os seguintes indicadores económicos, investimento e respetivo payback, taxa interna de rentabilidade (TIR) e valor atualizado líquido (VAL), de forma a obter a solução mais vantajosa assegurando a rentabilidade do investimento energético. 41

74 Capítulo 4 Aquecimento Solar 4.2. Dimensionamento do sistema solar Para um correto dimensionamento do sistema solar térmico que garanta o aquecimento dos biodigestores, é fundamental o conhecimento das características do sistema matéria orgânica/biodigestor (Tabela 4.1). Tabela 4.1 Características do sistema matéria orgânica/biodigestor. Massa volúmica, ρ (kg/m3) Calor específico, cp (kj/kg.ºc) 3,664 Dimensões biodigestor: altura (m) /diâmetro (m) 5 10 Volume biodigestor, V (m3) 392,69 Uma vez que a massa volúmica dos resíduos sólidos urbanos não toma um valor constante (Capítulo 3 - Tabela 3.1), podendo variar entre 130 e 560 kg/m3 (Russo, n.d.), optou-se por dimensionar o sistema solar térmico para seis valores de massa volúmica distintos compreendidos neste intervalo, são eles 130, 240, 320, 400, 480 e 560kg/m Energia útil apresentação e discussão de resultados Para o dimensionamento do sistema solar térmico é essencial calcular a energia útil necessária para aquecer a mistura de resíduos e água contida no biodigestor. Esta energia irá assumir diferentes valores de acordo com a temperatura ótima de funcionamento do biodigestor e da massa volúmica da matéria orgânica. Assim, foram determinadas três valores de energia útil (Eútil), uma para cada temperatura ótima, 30ºC, 35ºC e 40ºC para cada valor de massa volúmica através da Equação (4.1): Eútil = ρ V cp (Tótima - Tágua rede ) (4.1) onde ρ é a massa volúmica da mistura (kg/m3), V é o volume de mistura (m3), cp é o calor específico da mistura (kj/kg.ºc), Tótima é a temperatura ótima de funcionamento do processo de digestão anaeróbia e Tágua rede é a temperatura da água da rede (Tabela 4.3). Para o cálculo da energia útil, considerou-se que a água provinha sempre da rede, no entanto esta existe no sistema em recirculação, mas para compensar possíveis oscilações 42

75 Capítulo 4 Aquecimento Solar de temperatura optou-se pelo dimensionamento do sistema solar térmico para este intervalo de temperaturas Os valores de energia útil determinados encontram-se esquematizados na Figura Eútil [MJ/ano] T30⁰C T35⁰C T40⁰C ρ [kg/m 3 ] Figura Evolução da energia útil anual em função da massa específica da matéria orgânica e da temperatura ótima. Analisando a Figura 4.1 conclui-se que com o aumento da massa volúmica da matéria orgânica há um crescimento das necessidades de energia útil anual. Comparando os valores de energia útil para 140kg/m 3 e para 560kg/m 3 verifica-se um aumento das necessidades energéticas de cerca de 30%. Fazendo uma análise da evolução da energia útil mas agora em função da temperatura ótima, observa-se que para temperaturas mais elevadas a energia útil anual apresenta um valor superior em relação ao mesmo mas para temperaturas mais baixas, em alguns casos esta diferença é tão acentuada que representa 66,7 %. Os resultados obtidos parecem aceitáveis, pois era espectável que as necessidades energéticas anuais (energia útil) aumentassem quer com o aumento da temperatura ótima quer com o aumento da massa volúmica da matéria orgânica, já que há uma relação de proporcionalidade entre cada uma das grandezas, tal como é descrito na Equação

76 Capítulo 4 Aquecimento Solar Depois de obtida a potência útil, calcularam-se as necessidades energéticas mensais carga térmica (ECT), através da Equação 4.2. ECT = Eútil ND [MJ/mês] (4.2) onde, ND é o número de dias de cada mês Avaliação da radiação incidente para o concelho de Vila Real O método f-chart permite estimar a quantidade de energia que o sol fornece comparativamente com a necessidade energética do processo de digestão anaeróbia, sendo imperativo conhecer a disponibilidade da radiação solar para o concelho de Vila Real, apresentada na Figura 4.2 e na Tabela 4.2. A radiação incidente para um ângulo ótimo de inclinação de 34º para o concelho de Vila Real, foi obtida através do programa SolTerm. Figura Gráfico representativo da radiação incidente em função do tempo em Vila Real. [Fonte: Na Tabela 4.2, apresenta-se a radiação global incidente, a temperatura ambiente e a temperatura da água da rede médias de cada mês para o concelho de Vila Real. 44

77 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.2 Radiação solar média, temperatura ambiente média e os dias de cada mês, referentes ao concelho de Vila Real. Meses Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Ano Radiação Global Incidente (kwh/m²) Temp. Ambiente Média (ºC) Temp. Água da Rede Média (ºC) Dias do mês (ND) 1,6 2,5 3,5 4,8 5,8 6,5 6,8 6,1 4,4 3,1 2 1,5 4,05 6,9 7,9 10,1 12,3 15,6 19,2 21,8 21,5 19,1 14,8 9,8 7 13, , É necessário corrigir a radiação global incidente devido à instalação se encontrar numa zona urbana, sujeita a efeitos de poluição. Assim, esta será multiplicada por 0,95 (fator de correção aplicado nestas situações), Tabela 4.3. A energia incidente (MJ/m 2 /dia), foi obtida através da Equação 4.3: E incidente = 0,95 k H (4.3) onde k é o coeficiente de correção de inclinação do coletor, determinado em função da latitude do local e o ângulo ótimo de inclinação do coletor (Anexo I) e H é a radiação global incidente corrigida. 45

78 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.3 Valores da radiação global incidente corrigida (H), coeficiente de correção de inclinação (k) e da energia incidente dia por m2. Meses Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Radiação Incidente Corrigida 5,47 8,55 11,97 16,42 19,84 22,23 23,26 20,86 15,05 10,60 6,84 5,13 (MJ/m²/dia) Coef. de Correcção de 1,38 1,29 1,18 1,07 0,99 0,96 0,99 1,08 1,22 1,38 1,49 1,47 Inclinação Energia Incidente 7,10 10,37 13,28 16,51 18,46 20,06 21,64 21,18 17,26 13,75 9,58 7,09 (MJ/m /dia) Apresentação dos coletores solares em estudo Utilizaram-se cinco coletores solares, todos eles certificados pela norma europeia EN e com selo de qualidade europeu Solar Keymark. Na Tabela 4.4 são apresentadas as caraterísticas de cada coletor, entre elas, o rendimento ótico (ηo), os coeficientes de perdas térmicas (a1, a2) e a área útil de absorção (A). Tabela 4.4 Características de cada coletor solar em estudo. Coletor solar Marca Tecnologia ηo a1 (W/m2 ⁰C) a2 (W/m2 ⁰C2) A (m2) ENY PREMIUM EnergyBand Solar Plano 0,751 4,9999 0,0000 2,190 ENER-Q A200 Martifer Solar Plano 0,744 4,1620 0,0140 2,050 PREMIUM SUN FKT-1s Vulcano Solar Plano 0,811 3,6530 0,0146 2,230 SKR Logasol Tubos de vácuo CPC(1) 0,770 0,7490 0,0050 2,570 ENP ENP Tubos de vácuo 0,734 1,5424 0,0166 1,972 (1) Combound Parabolic Concentrator O cálculo do rendimento do coletor para cada mês, é dado pela Equação 4.4: 46

79 Capítulo 4 Aquecimento Solar η coletor = η o - a 1 T fluido - T ambiente I - a 2 (T fluido - T ambiente ) 2 I (4.4) onde o é o rendimento ótico do painel, a 1 e a 2 são os coeficiente de perdas térmicas, respetivamente, em W/m 2.ºC e W/m 2.ºC 2, Tfluido é a temperatura ótima do fluido (30ºC, 35 ºC ou 40 ºC), Tambiente é a temperatura ambiente média de cada mês em ºC e I é a radiação incidente em W/m 2. De seguida, calculou-se a energia captada (Ecaptada) por mês por m 2 de coletor, recorrendo à Equação 4.5: E captada = Energia incidente η coletor ND (4.5) A área total de coletores solares obtém-se recorrendo à Equação 4.6: área de coletores = E CT anual E captada anual [m 2 ] (4.6) onde ECT é carga térmica anual e Ecaptada anual é a quantidade de energia captada (determinada através da Equação 4.5) anualmente. Na Tabela 4.5 encontram-se as áreas de coletor determinadas em função da temperatura ótima de funcionamento e da massa volúmica da matéria orgânica. 47

80 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.5 Apresentação das áreas de coletor (m2) em função da temperatura ótima e da massa volúmica. Massa volúmica (kg/m3) Energyband Martifer Vulcano 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 130 7,09 9,53 12,03 7,11 9,54 12,00 6,49 8,70 10,92 7,09 9,47 11,85 6,73 8,99 11, ,08 17,60 22,20 13,12 17,61 22,15 11,98 16,05 20,17 13,09 17,48 21,87 12,43 16,59 20, ,44 23,47 29,60 17,49 23,48 29,54 15,97 21,40 26,89 17,45 23,30 29,17 16,57 22,12 27, ,80 29,33 37,01 21,87 29,35 36,92 19,96 26,75 33,61 21,81 29,13 36,46 20,72 27,65 34, ,16 35,20 44,41 26,24 35,22 44,31 23,96 32,11 40,33 26,17 34,95 43,75 24,86 33,18 41, ,52 41,07 51,81 30,61 41,09 51,69 27,95 37,46 47,05 30,54 40,78 51,04 29,00 38,71 48,43 48 ENP Logasol

81 Capítulo 4 Aquecimento Solar Análise da energia solar captada em função da massa volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima do processo de digestão A energia solar ao longo do ano, Esolar, é calculada multiplicando a energia captada (Ecaptada, Equação 4.5) pela área total de coletores (Equação 4.6): Esolar = Ecaptada área de coletores [MJ] (4.6) Nas Figuras 4.3 e 4.4, encontram-se os resultados relativos à energia solar, Esolar, obtidos para o mês de dezembro e julho, respetivamente, calculados para a temperatura ótima de funcionamento de 40ºC. A escolha do mês de dezembro deve-se ao facto de este ser o mês mais desfavorável para a obtenção de energia solar. Quanto ao mês de julho, é precisamente pelo motivo oposto, estamos perante a situação mais favorável, pois é neste mês que radiação solar incidente é mais elevada (Tabela 4.4). Observando a Figura 4.3, verifica-se que o coletor solar que apresenta a melhor curva energética é o da Logasol, ou seja, este coletor é o que capta mais energia solar durante o mês de dezembro, tanto para valores de massa volúmica de matéria orgânica mais reduzidos, como para valores mais elevados. O coletor que apresenta o pior desempenho é o coletor da EnergyBand. Este coletor capta menos 10,5% de energia solar que o coletor da Logasol. Os coletores da Martifer, Vulcano e ENP captam, respetivamente, 3%, 5% e 9,5%, mais energia solar que o coletor da EnergyBand. Em relação ao mês de julho (Figura 4.4), o coletor que teve o melhor desempenho energético foi o da EnergyBand, captando mais 2,7% de energia solar que o coletor da Logasol. Relativamente aos coletores da Martifer, Vulcano e ENP, estes apresentam um défice energético de 0,8%, 1,3% e 2,4%, respetivamente, quando comparados com o coletor da EnergyBand. É ainda de referir que, as diferenças percentuais apresentadas, nos parágrafos anteriores, se mantêm constantes com o aumento de massa volúmica de matéria orgânica. Assim sendo, conclui-se que o desempenho energético dos coletores solares em estudo, não se altera com a variação das necessidades energéticas que dependem da massa volúmica da matéria orgânica. 49

82 Capítulo 4 Aquecimento Solar Esolar [MJ] EnergyBand Martifer Vulcano ENP Logasol ρ [kg/m 3 ] Figura 4.3 Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de dezembro para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Esolar [MJ] EnergyBand Martifer Vulcano ENP Logasol ρ [kg/m 3 ] Figura 4.4 Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de julho para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC. Das Figuras 4.3 e 4.4, conclui-se que para o mês de dezembro, o coletor da Logasol foi o coletor com o melhor desempenho energético, enquanto que, para o mês de julho, o coletor que captou uma maior quantidade de energia solar foi o coletor da EnergyBrand. Isto deve-se, provavelmente, ao facto do coletor da Logasol ser o mais seletivo de todos os coletores estudados, com um rendimento ótico bastante elevado e com os coeficiente de perdas térmicas mais reduzidos (consultar a Tabela 3.5), o que leva 50

83 Capítulo 4 Aquecimento Solar a que o coletor da Logasol consiga aproveitar uma maior quantidade de energia solar em situações mais desfavoráveis (por exemplo, durante o inverno). Depois de analisada influência da variação da massa volúmica no desempenho energético dos coletores solares, optou-se então por avaliar a influência da temperatura ótima na obtenção de energia solar para cada um dos cinco coletores solares em estudo. Na Figura 4.5, encontram-se os resultados relativos à energia solar, Qsolar, obtidos para as diferentes temperaturas ótimas de funcionamento, calculados para uma massa volúmica de matéria orgânica de 560kg/m 3. Das Figura 4.5 constata-se que os coletores solares em estudo descrevem uma curva energética anual com comportamento bastante semelhante. No entanto, verifica-se a existência de pequenas variações nas curvas de cada coletor. Estas são mais evidentes para a temperatura de 40ºC, tendo a sua acentuação durante os meses de Inverno, mais propriamente nos meses de dezembro e janeiro. Por exemplo, para o mês de dezembro a diferença de desempenho do coletor solar da Vulcano e da Martifer quando comparados com o da EnergyBand, é de cerca de 5% e 3%, respetivamente. No mês de janeiro, a energia solar captada pelo coletor da Vulcano e da Martifer foi 4,5% e 2,8%, respetivamente, superior à da captada pelo coletor EnergyBand. Para os meses de verão a diferença de desempenho entre coletores é praticamente desprezável (inferior a 1%). Comparando agora as curvas energéticas do coletor solar EnergyBand com os coletores solares ENP e Logasol, verifica-se que tal como acontecia anteriormente, o comportamento dos coletores é bastante semelhante durante praticamente todo o ano. Contudo, para os meses de inverno (novembro, dezembro e janeiro), principalmente para a temperatura ótima de 40ºC, há variações bastante significativas no desempenho energético dos coletores. Durante o mês de novembro, o coletor que captou mais energia solar foi o da Logasol, captando 5,3% a mais de energia solar que o da EnergyBand, seguido do coletor da ENP com 4,8%. Para o mês de dezembro, a diferença de energia solar captada pelo coletor solar da Logasol e da ENP, quando comparados com o coletor da EnergyBand, é de 10,4% e de 9,5%, respetivamente. Mais uma vez para o mês de janeiro, o coletor que captou maior quantidade de energia solar foi o da Logasol, com um 51

84 Capítulo 4 Aquecimento Solar desempenho 9,4% superior relativamente ao coletor da EnergyBand. Seguido do coletor da ENP, com 8,6% a mais de energia solar captada em relação ao coletor da EnergyBand. Para os meses de verão o coletor que apresenta o melhor desempenho energético é o coletor da EnergyBand, no entanto, a diferença entre este e os coletores da Logasol e da ENP não é significativa (cerca de 2%). Esolar [MJ] Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez EnergyBand Martifer Vulcano ENP Logasol T30ºC T35ºC T40ºC Figura 4.5 Comparação dos valores de energia solar obtidos ao longo do ano para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol para cada temperatura ótima de funcionamento, considerando uma massa volúmica de 560kg/m 3. Na Tabela 4.6, encontra-se a comparação percentual entre a energia solar captada (Esolar) pelos coletores da Marifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada pelo coletor da EnergyBand, para as temperaturas ótimas de 30ºC e 35ºC. Verifica-se que o coletor da Logasol continua a ter o melhor desempenho energético durante os meses de inverno, o mesmo não acontece durante os meses de verão, destacando-se o coletor da EnergyBand. 52

85 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.6 Comparação percentual entre a energia solar captada (E solar) pelos coletores da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada pelo coletor EnergyBand, para as temperaturas ótimas de 35 e 40ºC. Coletores Jul Ago Dez Jan 30ºC 35ºC 30ºC 35ºC 30ºC 35ºC 30ºC 35ºC Martifer -0,5% -0,6% -0,5% -0,6% 1,9% 2,5% 1,8% 2,3% Vulcano -0,8% -1,0% -0,8% -0,9% 3,2% 4,1% 2,9% 3,7% ENP -1,7% -2,0% -1,6% -1,9% 6,3% 7,8% 5,7% 7,1% Logasol -1,9% -2,3% -1,8% -2,1% 7,1% 8,7% 6,5% 7,9% Conclui-se que, quanto mais elevada é a temperatura ótima, maior é a diferença de desempenho energético dos coletores. Assim, por exemplo, para a temperatura de 40ºC o coletor da Logasol apresenta diferenças de energia solar captada em relação ao coletor da EnergyBand, nos durante os meses de inverno, na ordem dos 9,5%, enquanto que, para a temperatura ótima de 30ºC esta diferença cai para os 6,5%. Resumindo, o coletor que apresenta o melhor desempenho energético, durante os meses de inverno, para todas as temperaturas ótimas é o coletor da Logasol. Já durante os meses de verão, o coletor que apresenta uma curva energética mais favorável é o coletor da Energyband. Contudo, o coletor da Logasol parece ser a opção mais acertada, pois consegue assegurar as necessidades energéticas do processo de digestão anaeróbia durante o verão, rentabilizando ao máximo o aproveitamento de energia solar no inverno. 53

86 Capítulo 4 Aquecimento Solar Fração solar Na Tabela 4.7 encontra-se um quadro resumo dos valores de energia solar obtidos anteriormente (Esolar), bem como, das necessidades energéticas anuais (ECT) Tabela 4.7 Valores da carga térmica (ECT) e da energia fornecida pelo sol (Esolar), em MJ/ano. 30ºC Massa volúmica (ρ) 35ºC 40ºC ECT Esolar ECT Esolar ECT Esolar , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,16 Observando a Tabela 4.7, verifica-se que a energia captada pelo sistema solar, não é suficiente para assegurar na totalidade as necessidades energéticas do processo de digestão anaeróbia. Este défice energético é compensado pelo sistema auxiliar, que será explorado no Capítulo 5. A aplicação do método f-chart conduz à obtenção da fração solar f, que representa a relação entre a energia fornecida pelo sol, Esolar (nos coletores), e a energia necessária, ECT (carga térmica, Equação 4.2): f= Esolar ECT (4.7) Através da Equação 4.7 pode ser calculada a fração solar média mensal e por conseguinte a avaliar se as necessidades energéticas são asseguradas (Figura 4.6). Para os meses de verão, a fração solar obtida aproxima-se dos 100%, para o mês de junho é cerca de 90%, no mês de julho atinge os 97% e em agosto 95%. Durante os meses de verão, a necessidade de um sistema auxiliar é particamente nula, pois é nesta estação que a radiação solar é mais intensa (Tabela 4.4) daí a fração solar ser tão elevada. Para o 54

87 Capítulo 4 Aquecimento Solar inverno, a fração solar cai para os 30% em dezembro e janeiro, e em fevereiro é cerca de 50%. Ou seja, nos meses de dezembro e janeiro, só se garantem 30% das necessidades energéticas, e em fevereiro 50%. É nesta estação que é essencial a presença do sistema auxiliar (Capítulo 5). 1,2 1,0 Fração Solar 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T30ºC 30,19% 45,05% 58,38% 73,15% 82,14% 89,54% 96,77% 94,63% 76,79% 60,64% 41,42% 30,05% T35ºC 30,00% 44,95% 58,36% 73,22% 82,27% 89,71% 96,96% 94,78% 76,82% 60,57% 41,25% 29,83% T40ºC 29,81% 44,85% 58,35% 73,30% 82,40% 89,87% 97,14% 94,94% 76,86% 60,50% 41,08% 29,62% Figura 4.6 Evolução da fração solar média ao longo do ano em função da temperatura ótima Cálculo da quantidade de coletores para funcionamento do sistema solar Para o cálculo do número de coletores necessários na instalação do sistema solar basta dividir a área total de coletores (Tabela 4.5) pela área útil do coletor (parâmetro A da Tabela 4.4). A Tabela 4.9 fornece, então, o número de coletores necessários para que sistema solar possa funcionar. Analisando a Tabela 4.8 é fácil concluir que a instalação solar que requer menor número de coletores solares é a que utiliza coletores da Logasol. Ora, esta nova ilação aliada às conclusões apresentadas anteriormente, de que o coletor da Logasol é a solução mais vantajosa para rentabilizar o aproveitamento da energia solar ao longo de todo o ano, leva-nos a crer que o coletor da Logasol, muito provavelmente será a solução mais vantajosa quer energeticamente, quer economicamente, devido ao número reduzido de painéis solares necessários. No entanto, como não é possível afirmar com exatidão se o coletor da Logasol é ou não a melhor opção, torna-se indispensável a realização de um estudo de viabilidade económica. 55

88 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.8 Número de coletores solares necessários ao funcionamento dos sistema solar. Massa volúmica (kg/m3) Energyband Martifer Vulcano 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC ENP Logasol

89 Capítulo 4 Aquecimento Solar 4.3. Viabilidade económica Uma das formas de avaliar, do ponto de vista económico, os benefícios obtidos com a aquisição de um sistema solar é o tempo de retorno do investimento, isto é, a razão entre o custo do sistema (investimento inicial) e as poupanças médias anuais esperadas. Estas são calculadas considerando que a fatura de energia convencional (neste caso, gás natural) é reduzida anualmente num valor médio equivalente à energia fornecida pelo sistema solar. Para o estudo de viabilidade é necessário avaliar os custos dos equipamentos do projeto, tendo em conta as condições que o local propicia para uma rentabilização dos mesmos, de modo a obter um período de amortização o mais baixo possível. Para o cálculo do investimento contabilizou-se o custo dos equipamentos da sua manutenção e da sua instalação. Na Figuras 4.7 são comparados os custos de investimento, em euros, dos cinco sistemas solares térmicos em estudo. O cálculo do custo dos equipamentos foi baseado nas tabelas disponibilizadas pelo governo (Painéis Solares, 2013). Analisando a Figura 4.7, verifica-se que à medida que nos aproximamos de valores de massa volúmica mais elevados, maior é o investimento. Pois como concluímos anteriormente, as necessidades energéticas são maiores quanto maior for o valor da massa volúmica da matéria orgânica (ver Figura 4.1), e por conseguinte o número de painéis aumenta, aumentando o investimento. O mesmo se pode concluir em relação à temperatura ótima, assim, quanto maior é a temperatura ótima maior é o investimento. Da Figura 4.7, conclui-se que o sistema solar térmico que apresenta o investimento mais reduzido é o da Vulcano, com uma diferença média de 30% em relação ao da Energyband. Por outro lado, o sistema solar mais dispendioso é o da Logasol, representando um investimento médio 30% superior ao da EnergyBand. 57

90 Capítulo 4 Aquecimento Solar Investimento [ ] ρ [kg/m3] T30 EnergyBand T35 EnergyBand T40 EnergyBand T30 Martifer T35 Martifer T40 Martifer T30 Vulcano T35 Vulcano T40 Vulcano T30 ENP T35 ENP T40 ENP T30 Logasol T35 Logasol T40 Logasol Figura 4.7 Comparação do investimento, em euros, dos sistemas solares térmicos da EnergyBand, da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol. Na Tabela 4.11 temos os valores de poupança anual para a substituição convencional a gás natural proveniente do próprio processo de digestão anaeróbia. Para determinar a poupança anual, em euros, multiplicou-se a energia solar anual captada (Tabela 4.7) pelo preço do gás natural (Tabela 4.10). Para o cálculo do preço do gás natural, determinou-se o consumo específico (Tabela 4.9), ou seja, o volume de gás natural consumido por mês (Tabela 4.10). Tabela 4.9 Consumo específico de gás natural, em m 3 por mês. Massa volúmica (ρ) 30ºC 35ºC 40ºC 130kg/m 3 60,98 81,31 101,64 240kg/m 3 112,59 150,11 187,64 320kg/m 3 150,11 200,15 250,19 400kg/m 3 187,64 250,19 312,74 480kg/m 3 225,17 300,23 375,28 560kg/m 3 262,70 350,27 437,83 58

91 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.10 Escalões de consumo de gás natural definidos pela ERSE (1) e respetivo preço (2). (Fonte: ERSE) Escalão de consumo Consumo específico Preço gás natural ( /kwh) Escalão m 3 0,0741 Escalão m 3 0,0700 Escalão m 3 0,0658 Escalão m 3 0,0650 (1) Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos (2) Preço médio praticado pelas distribuidoras em Vila Real Tabela 4.11 Poupança anual, em euros, em relação à solução convencional a gás natural. Massa volúmica (ρ) 30ºC 35ºC 40ºC 130kg/m 3 570,89 761,18 951,48 240kg/m , , ,58 320kg/m , , ,51 400kg/m , , ,64 480kg/m , , ,77 560kg/m , , ,90 O payback simples (Equação 4.8) relaciona o investimento com a poupança, calculando o tempo necessário para obter o retorno do capital investido. payback simples = investimento poupança (4.8) Na Figura 4.8 encontra-se o payback simples obtido para cada uma das instalações solares térmicas estudadas. Analisando a evolução do payback em função da massa volúmica, verifica-se que na maioria dos casos, para valores de massa volúmica mais elevados obtêm-se payback s mais reduzidos. Recorde-se que quanto maior é o valor de massa volúmica, maiores são as necessidades energéticas, mas maior seria também a fatura energética de gás natural, assim, apesar do investimento ser superior a poupança resultante acaba por compensar, reduzindo significativamente o tempo de retorno (payback). O mesmo se pode concluir para a temperatura ótima, ou seja, quanto maior a temperatura ótima menor é o tempo de payback. 59

92 Capítulo 4 Aquecimento Solar Dos sistemas solares térmicos analisados, na Figuras 4.8, o que apresenta o payback mais rápido é o da Vulcano. Ao optar pelo sistema solar da Vulcano, em detrimento do da Energyband ou da Martifer, obtêm-se reduções no tempo de payback de 2,5 e 2,9 anos, respetivamente. Quando comparado com os restantes sistemas solares, as reduções do tempo de payback são ainda mais atrativas, com ganhos de 3,8 anos em relação ao da ENP e de 4,7 anos em relação ao da Logasol. 14 T30 EnergyBand T35 EnergyBand 12 T40 EnergyBand T30 Martifer T35 Martifer payback [anos] 10 T40 Martifer T30 Vulcano 8 T35 Vulcano T40 Vulcano 6 T30 ENP T35 ENP 4 T40 ENP T30 Logasol 2 T35 Logasol T40 Logasol ρ [kg/m3] Figura 4.8 Comparação do payback simples obtido para os sistemas solares térmicos da Energyband, da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol. No entanto, o cálculo do payback não tem em conta a atualização de valores, para isso é necessário calcular o valor atualizado líquido (VAL), do projeto (Equação 4.9). Este indicador avalia o lucro atualizado no ano de referência (Borges, 2009). (1 + a)n-1 VAL (2%) = - Investimento + Poupança [ ] a (1 a)n (4.9) onde a é a taxa de atualização taxa de juro de mercado (p.ex) e n é o tempo de vida em anos. Além do VAL, é ainda necessário calcular outro indicador económico, a taxa interna de rentabilidade (TIR). Este indicador permite-nos determinar a taxa que o investidor obtém em média em cada ano sobre os capitais que se mantêm investidos no projeto, enquanto o investimento inicial é recuperado progressivamente (Borges, 2009). 60

93 Capítulo 4 Aquecimento Solar Os resultados de VAL e respetivo TIR, obtidos para cada um dos cinco sistemas solares térmicos analisados, constam nas Tabela 4.12 e Mais uma vez o sistema solar térmico que se destaca é o da Vulcano, com um VAL médio de ,58 e uma TIR de 17,19%, ou seja, optando por este fabricante de coletores solares o investimento é recuperado num curto espaço de tempo, 5 anos, é valorizado a uma taxa de 17,19% e no fim do tempo de vida útil do equipamento (20 anos) é ainda gerado um excedente de ,58. O excedente monetário gerado no fim do tempo de vida útil do sistema solar térmico é mais do que suficiente para a aquisição de novos equipamentos. 61

94 Capítulo 4 Aquecimento Solar Tabela 4.12 VAL, em euros, obtido para cada sistema solar térmico analisado. Massa volúmica (kg/m 3 ) Energyband Martifer Vulcano ENP Logasol 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC Tabela 4.13 TIR, em percentagem, obtida para cada sistema solar térmico analisado. Massa volúmica (kg/m 3 ) Energyband Martifer Vulcano ENP Logasol 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 30ºC 35ºC 40ºC 130 9,11% 10,18% 10,95% 9,11% 10,18% 10,95% 14,47% 15,62% 16,41% 9,21% 10,05% 9,36% 7,85% 8,32% 8,63% ,02% 11,50% 12,02% 10,73% 11,50% 12,02% 15,84% 16,56% 17,04% 10,28% 10,83% 10,38% 9,48% 9,46% 9,45% ,59% 12,74% 12,19% 11,50% 11,89% 11,52% 16,56% 18,02% 17,02% 10,83% 11,01% 10,56% 9,46% 10,03% 9,88% ,96% 12,19% 12,71% 12,02% 11,52% 11,59% 18,44% 18,11% 17,55% 10,38% 10,56% 10,52% 9,45% 9,88% 9,87% ,56% 12,25% 12,56% 11,77% 11,68% 12,08% 17,67% 17,83% 17,92% 10,18% 10,63% 10,50% 9,71% 10,13% 9,86% ,74% 12,84% 12,89% 12,04% 11,80% 12,05% 17,76% 18,45% 18,20% 10,43% 10,68% 10,84% 9,59% 9,76% 10,31% 62

95 Capítulo 4 Aquecimento Solar 4.4. Impacte Ambiental A energia, durante o seu processo de conversão/utilização, contribui com cerca de 2/3 do total das emissões de gases de efeito de estufa em Portugal. A energia está repartida pelos vários sectores de atividade, nomeadamente a indústria, os edifícios (residenciais e de serviços) e os transportes e torna-se necessário estabelecer medidas de atuação, de âmbito sectorial, que conduzam ao estabelecimento de "quotas" de emissões por sector. Um dos objetivos políticos e estratégicos da União Europeia é o que conduz a uma sociedade europeia Low Carbon (baixo carbono). Este objetivo significa que, para além da dimensão do conhecimento e da dimensão social, na competitividade económica será integrada a dimensão do desempenho energético-ambiental. Uma das muitas vantagens da instalação de um sistema solar térmico é exatamente a redução da emissão de gases para a atmosfera, como o dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4), responsáveis pelo efeito de estufa. Sendo o CO2, o mais representativo de entre os gases que contribuem para o aquecimento global, este resulta essencialmente da queima de combustíveis fósseis. A Equação 4.10 representa a combustão do metano (CH4). O metano combinado com o oxigênio, forma na sua combustão água e dióxido de carbono. (4.10) CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2 O Com recurso à Equação 4.10 conhecem-se o número de moles de cada elemento presente na reação química e com estes valores determinaram-se as quantidades em gramas de cada elemento que constam na Tabela Tabela 4.14 Quantidades, em gramas, de CH4 e CO2. Elemento Químico Massa atómica CH4 16,14 g/mol CO2 44,01g/mol 63

96 Capítulo 4 Aquecimento Solar Relacionando as quantidades de CH4 e CO2 da Tabela 4.14 com a estequiometria da Equação 4.10, conclui-se que para cada quilograma de metano queimado são libertados para a atmosfera 2,73 quilogramas de dióxido de carbono. Conhecendo o PCI do metano, kj/kg, podemos calcular a quantidade de dióxido de carbono que seria libertada para a atmosfera durante a combustão do metano pelo método tradicional (caldeira a biogás) e com o sistema solar térmico (Tabela 4.15). Tabela 4.15 Quantidade de CO2, em kg por ano, libertada para a atmosfera com o sistema tradicional e com o sistema solar térmico. Quantidade de CO2 libertada (kg/ano) Massa volúmica [kg/m ] 3 30ºC 35ºC 40ºC Sistema Sistema Sistema Sistema Sistema Sistema Tradicional Solar Tradicional Solar Tradicional Solar 130kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m A energia solar é uma fonte limpa e renovável, sem emissões de gases de efeito de estufa. As quantidades de dióxido de carbono referentes ao sistema solar que constam na Tabela 4.15, correspondem às necessidades energéticas que este não consegue assegurar, ou seja à parcela energética que é garantida pelo sistema auxiliar. Se o sistema auxiliar (Capítulo 5) for um sistema que funcione com energia de uma fonte não poluente, como a energia geotérmica, a quantidade de CO2 libertada para a atmosfera pode ser significativamente reduzida ou mesmo eliminada. Com a implementação do sistema solar térmico há uma redução de 65% na emissão de gases de efeito de estufa (CO2) em relação ao sistema convencional a gás natural. 64

97 Capítulo 4 Aquecimento Solar 4.5. Conclusões Conclui-se que as diferenças percentuais no desempenho energético dos coletores solares em estudo, não se alteram com a variação da massa volúmica da matéria orgânica. O mesmo não acontece quando se avalia a temperatura ótima. Assim, verificouse que, quanto mais elevada é a temperatura ótima, maior é a diferença no desempenho energético dos coletores. O coletor que apresenta o melhor desempenho energético, durante os meses de inverno, para todas as temperaturas ótimas é o coletor da Logasol. Já durante os meses de verão, o coletor que apresenta uma curva energética mais favorável é o coletor da EnergyBand. De forma a determinar qual dos coletores em estudo, seria a opção mais eficiente para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia independentemente da temperatura ótima de funcionamento a que esta ocorresse, realizou-se um estudo de viabilidade económica. Todas as soluções solares térmicas analisadas constituem uma opção economicamente atrativa, pois em todos os casos o investimento é recuperado na totalidade num curto espaço de tempo, sendo ainda gerado um excedente no final do tempo de vida útil dos equipamentos. No entanto, o sistema solar térmico mais viável e para o qual o retorno do investimento é recuperado mais rapidamente é o da Vulcano. Com a implementação do sistema solar térmico evita-se o envio de cerca de 7 toneladas de CO2 para a atmosfera, o que contribui decisivamente para a atenuação do efeito atmosférico de estufa e para o cumprimento do Protocolo de Quioto. 65

98

99 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico 5.1. Introdução Neste Capítulo é apresentada a geotermia como fonte de energia auxiliar ao sistema solar térmico e como solução alternativa no aquecimento dos biodigestores para produção de biogás. Ao dimensionar o sistema geotérmico, o sistema auxiliar fica automaticamente dimensionado, uma vez que para dimensionar o sistema geotérmico é necessário assegurar as necessidades de aquecimento para a produção de biogás ao longo de todo o ano, o que corresponde precisamente à situação mais desfavorável, ou seja aquela que seria totalmente suportada pelo sistema auxiliar. São equacionados dois tipos de soluções para o aquecimento geotérmico, a utilização de um sistema Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs) horizontal ou em alternativa um sistema Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs) vertical. Para se dimensionar uma instalação geotérmica é necessário saber qual a potência de aquecimento instantâneas e a capacidade de aquecimento anual. Após a obtenção destes valores, estuda-se o tipo de solo existente e analisa-se qual a capacidade energética que o solo pode oferecer em conjunto com a bomba de calor geotérmica. Finalmente, analisa-se a viabilidade económica de cada um dos sistemas geotérmicos (horizontal e vertical) de modo a determinar qual deles representará a solução mais atrativa, tanto económica, como energeticamente. Depois de determinar qual dos sistemas: horizontal ou vertical representa a melhor alternativa, realiza-se um novo estudo de viabilidade económica para comparar esta solução com a obtida com o sistema solar térmico constituído por coletores da marca Vulcano. 66

100 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico 5.2. Dimensionamento do sistema geotérmico Segundo a Directiva 2009/28/CE para dimensionar um sistema geotérmico é necessário escolher uma bomba de calor cuja produção exceda significativamente a energia primária necessária para o fazer funcionar. Assim, após uma pesquisa de mercado, selecionou-se a bomba de calor da marca Ecoforest cuja eficiência é superior a 400% e cujo coeficiente de performance (COP) varia entre 4,6 e 5 (Tabela 5.1). A bomba está certificada pelo rótulo de qualidade europeu (EHPA) cumprindo os requisitos do programa de rotulagem ecológica estabelecido na Decisão 2007/742/CE da Comissão, de 9 de Novembro de Tabela Características das bombas de calor da marca Ecoforest. [Fonte: Bombas de calor Referência COP 3-12 kw ecogeo C1 5-22kW 12-50kW 15-70kW kW ecogeo C1 ecogeo HP1 ecogeo HP1 ecogeo HP1 4,6-5 A potência útil (Qútil) necessária para aquecer os biodigestores, em função da massa volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima, encontra-se Tabela 5.2. Tabela 5.2 Potência útil em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Massa volúmica [kg/m 3 ] 2 Potência útil [kw] 30ºC 35ºC 40ºC

101 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Depois de determinadas as potências úteis é possível selecionar a gama de bombas de calor (Tabela 5.1) necessárias para assegurar essas mesmas potências. Na Tabela 5.3 são apresentados os valores de potência elétrica (WEL) absorvida pela bomba de calor obtidos através da Equação 5.1. COP = Q útil W EL (5.1) Tabela Potência elétrica (W EL) em kw, absorvida pela bomba de calor em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Massa volúmica [kg/m 3 ] Potência elétrica [kw] 30ºC 35ºC 40ºC 130 2,35 3,14 3, ,34 5,79 7, ,79 7,72 9, ,24 9,65 12, ,69 11,58 14, ,14 13,52 16,89 Sendo a potência elétrica a potência cedida à bomba de calor, a potência a permutar com o terreno (Qter) é dada pela Equação 5.2. W EL = Q útil - Q ter [kw] (5.2) Na Tabela 5.4 constam os valores de Qter obtidos em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Qter é o calor que pode ser captado do terreno. 68

102 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Tabela Potência a permutar com o terreno, em kw, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Massa volúmica [kg/m 3 ] Q ter [kw] 30ºC 35ºC 40ºC 130 8,47 11,30 14, ,64 20,85 26, ,85 27,80 34, ,07 34,75 43, ,28 41,70 52, ,49 48,66 60,82 De seguida, são abordados especificamente os principais aspetos relativos à fase de projeto e à realização de instalações com bombas de calor que captam energia térmica do subsolo, sem consumo do lençol de água, nomeadamente os sistemas GCHPs horizontal e vertical Sistema GCHPs horizontal Tal como foi descrito no Capítulo 2, um sistema GCHPs horizontal é constituído por um conjunto de coletores geotérmicos (permutadores) dispostos horizontalmente no terreno a uma profundidade que pode variar entre 0,8 e 4 metros. Este coletor capta o calor do subsolo para o fluido de trabalho (água glicolada) que circula dentro dum circuito fechado constituído por tubos. Com a ajuda da bomba de calor o calor da fonte terrestre captado é aumentado até à temperatura necessária para o aquecimento. Este calor deriva, sobretudo, do sol e da chuva (Figura 5.1-a). Portanto, é necessário instalar estes coletores em zonas, onde pode chegar, sem qualquer impedimento, o calor proveniente do sol e das chuvas. Para evitar interferências e facilitar as intervenções de manutenção, aconselha-se a respeitar as seguintes distâncias mínimas: a) 1,5 m das redes das instalações enterradas de tipo não hidráulico: redes elétricas, de telefone e de gás; b) 2,0 m das redes das instalações enterradas de tipo hidráulico: redes de água sanitária, de águas pluviais e de 69

103 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico esgoto; c) 3,0 m das fundações, poços de água, fossas sépticas, poços de escoamento e afins (Caleffi, 2011). a) b) Figura 5.1 a) Principais fontes de calor a baixa temperatura; b) Permutadores em caracol. [Fonte: Nesta dissertação propõe-se a instalação de permutadores com geometria em caracol (Figura 5.1-b), pois podem possibilitar soluções mais compactas, e menos invasivas do que aquelas que se podem obter com as geometrias tradicionais (serpentina). A dimensão destes permutadores efetua-se com base no rendimento térmico do terreno (Tabela 5.5), que depende principalmente de 3 parâmetros: o tipo de terreno, a sua densidade e o nível de humidade. Tabela Rendimentos específicos aproximados das superfícies de terreno para permutadores em caracol. [Fonte: Tipo de subsolo [W/m 2 ] Terreno arenoso seco Terreno arenoso húmido Terreno argiloso seco Terreno argiloso húmido Terreno saturado de água

104 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico De acordo com os dados da Direção Regional do Ambiente e Ordenamento do Território (DRAOT-NORTE, 1999), os solos com maior representatividade na bacia hidrográfica na zona de Vila Real, são os cambissolos. São solos que apresentam textura arenosa ou franco-arenosa, muito permeáveis e altamente mineralizados, apresentando um horizonte B na crosta calcária, pedregoso, poroso e fácil de trabalhar. Da Tabela 5.5 o que se assemelha mais ao tipo de solo característico de Vila Real é o arenoso-húmido. De seguida é preciso avaliar a superfície de terreno necessária (S) para a instalação dos permutadores em caracol. Na Tabela 5.6 apresentam-se as superfícies necessárias, determinadas dividindo a potência (Qter) de permuta com o terreno (Tabela 5.4) pelo rendimento do terreno (Tabela 5.5). Tabela Superfícies de terreno (S), em m 2,necessárias para a instalação dos permutadores em caracol. Massa volúmica [kg/m 3 ] Superfícies de terreno [m 2 ] 30ºC 35ºC 40ºC ,56 564,75 705, , , , , , , , , , , , , , , ,98 O coletor geotérmico (permutadores) é formado por tubos em plástico, como por exemplo, o polietileno (PE), o polipropileno (PP) e o polibutileno (PB). Para este projeto optou-se pelo coletor geotérmico da marca Rehau (Tabela 5.7) devido à sua elevada resistência tanto aos danos mecânicos como às cargas pontuais e devido ao material PE-Xa que possibilita a sua colocação em solos agressivos sem haver necessidade de se realizar um leito de areia. 71

105 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Tabela 5.7 Dimensões do coletor geotérmico horizontal. [Fonte: Material Polietileno reticulado (PE-Xa) Diâmetro exterior (de) 32mm Diâmetro interior (di) 29,1mm Entre-eixos 400mm Para determinar o comprimento total de tubos (L) basta dividir a área de superfície de terreno (Tabela 5.6) pelo diâmetro exterior dos tubos (Tabela 5.7). Nos resultados apresentados na Tabela 5.8 estão contabilizadas as perdas de carga. Tabela 5.8 Comprimento total de tubos (L), em metros, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Comprimento total de tubos [m] Massa volúmica [kg/m ] 30ºC 35ºC 40ºC , , , , , , , , , , , , , , , , , , Sistema GCHPs vertical Num sistema de captação geotérmica vertical as sondas são colocadas num ou vários furos de 80 a 162 metros de profundidade (Capítulo 2). Estes permutadores são colocados em funcionamento em furos com um diâmetro que varia entre 100 e 150 mm. Nos furos são introduzidos um ou dois circuitos em U, concebidos com tubos em PE-Xa (geralmente com diâmetros DN 25, DN 32 e DN 40), específicos para estas aplicações especialmente delicadas, dado que as profundidades em causa comportam pressões quer internas, quer de esmagamento, muito elevadas (Figura 5.2-a). 72

106 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico De modo a não provocar danos nas fundações, as sondas geotérmicas (Figura 5.2- b) devem ser colocadas a funcionar a distâncias mínimas do edifício de, pelo menos, 4-5 m. Além disso, se estiverem previstas várias sondas, deve haver entre elas distâncias não inferiores a 8 metros para evitar interferências térmicas (Caleffi, 2011). Secção de uma sonda em duplo U com tubo de enchimento Bentonite Tubos sonda Peso de fundo a) b) Figura 5.2 a) Ilustração de um furo com captação por sonda geotérmica [Fonte: b) Sonda geotérmica RAUGEO PE100 e PE-Xa [Fonte: A Tabela 5.9, de seguida apresentada, segue as normas alemãs VDI 4640 e indica os rendimentos das sondas geotérmicas em duplo U, em relação aos tipos de subsolo mais comuns. 73

107 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Tabela Rendimentos térmicos específicos, η ter, para sondas geotérmicas. [Fonte: Tipo de subsolo Potência extraível (W/m) 1800 horas 2400 horas Saibro, areia seca < 25 < 20 Saibro, areia, saturados de água Argila, limo húmido Calcário (maciço) Arenito Migmatito silicioso (granito) Migmatito básico (basalto) Gnaisse O cálculo do número de furos (Equação 5.3) é feito em função, da potência a permutar com o terreno (Q ter, Tabela 5.4) e do rendimento térmico específico linear (η ter, Tabela 5.9). Neste caso como se trata de um subsolo formado por saibro, areia, saturados de água, consideram-se 80 W/m e num comprimento máximo de sonda de 100m. nºfuros = Q ter η ter 100 (5.3) O número de furos necessários para assegurar as necessidades de aquecimento dos biodigestores para produção de biogás, consta da Tabela Tabela Número de furos necessários para instalação do sistema GCHPs vertical. Massa volúmica [kg/m 3 ] nº de furos 30ºC 35ºC 40ºC

108 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico 5.3.Viabilidade Económica Para o cálculo do investimento contabilizou-se o custo dos equipamentos da sua, manutenção e da sua instalação (Tabela 5.11). Na Tabela 5.12 encontram-se os custos de investimento, em euros, dos dois sistemas de captação geotérmica em estudo, GCHPs horizontal e vertical. Tabela 5.11 Preço de um furo geotérmico de alta profundidade ( m) (Coelho, 2007). Tipo de tubo Furo Preço por tubo Outros materiais Líquido anticongelante Total Double-U-tube 4x32 Single-U-tube 2x ,00 677,00 237,50 216, , ,00 426,00 309,40 167, ,60 Tabela 5.12 Comparação do investimento (1), em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica. Massa volúmica [kg/m 3 ] 30ºC 35ºC 40ºC horizontal vertical horizontal vertical horizontal vertical , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,20 (1) no investimento inclui-se o preço do furo e da bomba de calor Analisando a Tabela 5.12, verifica-se que a instalação geotérmica que implica o menor investimento é o sistema de captação GCHPs horizontal. O investimento no sistema GCHPs horizontal é em média de 20% inferior ao que seria necessário para a mesma situação mas aplicando o sistema GCHPs vertical. Para a temperatura ótima de 40ºC e para a massa volúmica de 480 kg/m 3, a diferença entre o é GCHPs horizontal e o vertical chega mesmo a ser de 34,79%. 75

109 Capítulo 5 Aquecimento Geotérmico Na Figura 5.3 observa-se a poupança, em euros, na fatura energética com a instalação do sistema geotérmico, como alternativa às soluções tradicionais a eletricidade e gás natural, para a temperatura ótima de 40ºC. Analisando a Figura 5.3 conclui-se que a economia resultante da utilização da energia geotérmica em substituição das alternativas convencionais a energia elétrica é superior à economia gerada em substituição das alternativas convencionais a gás natural Eletricidade Gás Natural Poupança [ ] massa volúmica [kg/m 3 ] Figura Poupança anual, em euros, em função da fonte de energia tradicional, eletricidade ou gás natural, para a temperatura ótima de 40ºC. Para determinar o período de tempo que o projeto leva a recuperar o capital investido, calculou-se o payback para os dois sistemas de captação geotérmica, recorrendo à Equação 4.8. Nas Tabelas 5.13 e 5.14 apresenta-se o payback, em anos, para os sistemas GCHPs horizontal e vertical, resultante da substituição da energia elétrica e do gás natural, respetivamente. O payback médio para a substituição da energia elétrica pelo sistema GCHPs horizontal ou vertical é de 4,79 e 5,71 anos, respetivamente. Já para a substituição do gás natural, o tempo de payback é ligeiramente superior, 8,09 anos com o sistema GCHPs horizontal e 9,64 anos com o sistema GCHPs vertical. Apesar do investimento inicial no GCHPs vertical ser superior ao do GCHPs horizontal, o payback para ambos é assegurado rapidamente e dentro do tempo de vida do equipamento (20-50 anos). 76