POTENCIAL DE GERAÇÃO ENERGÉTICA ATRAVÉS DE ATERROS: ESTUDOS DE CASO PARA A VIABILIDADE NO USO DO BIOGÁS

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1 POTENCIAL DE GERAÇÃO ENERGÉTICA ATRAVÉS DE ATERROS: ESTUDOS DE CASO PARA A VIABILIDADE NO USO DO BIOGÁS CELESTE OLIVEIRA FREITAS celeste.freitas@hotmail.com UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP EDUARDO ALBERTO DRAGO edrago0@gmail.com UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP IEDA KANASHIRO MAKIYA iedakm@gmail.com FCA-UNICAMP Resumo: DESDE QUE AS CIDADES SURGIRAM, OS RESÍDUOS SÃO GRANDES PROBLEMAS PARA A POPULAÇÃO, SENDO QUE ATUALMENTE AINDA EXISTEM MUITOS LIXÕES A CÉU ABERTO, MAS ISSO PRECISA MUDAR. ESTES ESTÃO AOS POUCOS, SE TRANSFORMANDO EM ATERROS SANITÁRIOS CONTROLLADOS OU ADEQUADOS, A POLÍTICA NACIONAL DOS RESÍDUOS SÓLIDOS FOI SANCIONADA EM 2010 JÁ COM TAL INTUITO, TORNANDO OBRIGATÓRIA A EXTINÇÃO DOS LIXÕES. PARA TANTO A ADEQUAÇÃO DOS ATERROS TRARÁ GASTOS ELEVADOS, PORÉM É UMA OPORTUNIDADE PARA A GERAÇÃO ENERGÉTICA A PARTIR DOS GASES EMITIDOS, PODENDO TRAZER AUMENTO DE BENEFÍCIOS ECONÔMICOS E SOCIAIS. COM A UTILIZAÇÃO ADEQUADA DO MERCADO DE CRÉDITOS DE CARBONO E COMERCIALIZAÇÃO DA ENERGIA GERADA, A IMPLANTAÇÃO DE PROJETOS NESTE SENTIDO TORNA-SE VIÁVEL, PODENDO SER COMPROVADO POR ESTUDOS DE CASO CITADOS NO TRABALHO. Palavras-chaves: SUSTENTABILIDADE; GESTÃO ENERGÉTICA; CRÉDITO DE CARBONO; ENERGIA RENOVÁVEL

2 POTENTIAL ENERGY GENERATION BY LANDFILLS: CASE STUDIES FOR THE FEASIBILITY OF THE USE OF BIOGAS Abstract: SINCE THE CITIES HAVE ARISEN, THE WASTES ARE MAJOR PROBLEMS FOR THE POPULATION, AND CURRENTLY THERE ARE STILL MANY OPEN DUMPS, BUT THIS NEEDS TO CHANGE. THESE ARE GRADUALLY TURNING INTO CONTROLLED LANDFILLS OR APPROPRIATE, THE NATIONAL SOLIID WASTE POLICY WAS ENACTED IN 2010 ALREADY WITH THIS ORDER, BY REQUIRING THE TERMINATION OF THE DUMPS. FOR THAT THE ADEQUACY OF THE LANDFILL WILL BRING HIGH COSTS, BUT IT IS AN OPPORTUNITY FOR GENERATING ENERGY FROM THE GASES EMITTED, AND CAN BRING INCREASED ECONOMIC AND SOCIAL BENEFITS. WITH PROPER USE OF THE MARKET FOR CARBON CREDITS AND SALE OF POWER GENERATED, THE IMPLEMENTATION OF PROJECTS IN THIS DIRECTION IS VIABLE AND CAN BE DEMONSTRATED BY CASE STUDIES CITED IN THE WORK. Keyword: SUSTAINABILITY; ENERGY MANAGEMENT; CARBON CREDIT; RENEWABLE ENERGY 2

3 1. Introdução No mundo inteiro o homem se preocupa com algumas necessidades básicas: dinheiro, saúde e segurança. Também em todas as partes do mundo o homem polui e produz grandes quantidades de lixo, alheio ao que acontece com ele. Ambos os fatos podem estar relacionados, basta pensar que grande quantidade de lixo acumulado inadequadamente polui o ar de maneira devastadora, podendo causar doenças graves a quem está por perto. Assim, os fatores saúde e segurança já estão diretamente afetados e, o cidadão precisa gastar mais dinheiro para se adaptar à situação. Desde que as cidades surgiram, os resíduos são grandes problemas, pois raramente são bem tratados e costumam dificultar a vida de muita gente, e atualmente sabe-se que a melhor maneira de se armazenar resíduos sólidos é em aterros sanitários adequados. No Brasil, entretanto, muitos aterros ainda se encontram em situação inadequada e grande parte do lixo vai para lixões a céu aberto, sem nenhum tipo de tratamento. Porém, esse cenário está começando a mudar e precisará continuar assim, já que se inicia uma luta nacional neste sentido, em 2010 foi sancionada a Política Nacional de Resíduos Sólidos, que determina a extinção obrigatória dos lixões em todo o país até Objetivos O presente artigo tem o objetivo de avaliar o potencial energético do estado de São Paulo a partir do biogás advindo de aterro sanitário, mostrando os fatores que influenciam a geração elétrica e os tipos de reatores existentes e mais utilizados. 3. Metodologia A metodologia utilizada para a elaboração deste trabalho foi pesquisa bibliográfica por meio de artigos científicos e notícias atualizadas, com informações sobre as condições necessárias de um aterro para que seja possível a geração de energia elétrica a partir do biogás, os projetos já existentes, os custos de tais projetos e as condições dos aterros sanitários do estado de São Paulo. 4. Implantação de projetos de recuperação energética Para que seja possível a recuperação energética do biogás de forma a ser comercializada, segundo Abreu et al (2010), o aterro sanitário deverá receber, no mínimo, 200 toneladas/dia de resíduos, ter capacidade mínima de recepção de toneladas e altura mínima de 10 metros. Além de características favoráveis quanto umidade e composição do lixo, que serão melhor especificadas no decorrer do presente trabalho. A geração de biogás em um aterro sanitário é iniciada algumas semanas após o início do depósito dos resíduos e continua por 15 anos após seu encerramento. Para a implantação do sistema de geração energética, segundo Pecora (2008), o aterro deve seguir as normas nacionais tendo, primeiramente, seu solo impermeabilizado com uma camada de argila e geomembrana texturizada de polietileno de alta densidade (PEAD), ainda deve ser implantado um sistema de captação e tratamento do biogás. A forma mais simples de se tratar o biogás é através da extração do mesmo por meio de tubos verticais perfurados. Podem ser colocados tubos 3

4 de sucção horizontais quando o lixo ainda está sendo depositado no aterro e assim ele poderá ser extraído desde o início de sua produção. Em aterros sanitários construídos sob a norma nacional vigente (NBR/8419 e NBR/8849) já está prevista a colocação desta tubulação para coleta de gás. Após todo o sistema de coleta e tratamento de biogás ser implantado, segundo Figueiredo (2007), é necessário o uso de compressores para comprimir o gás antes de entrar no sistema de recuperação energética propriamente dito, tal sistema pode ser composto por turbinas a gás, microturbinas ou motores de combustão interna. As turbinas a gás podem ser classificadas, de acordo com o ciclo de operação, em ciclo fechado ou aberto, sendo o último, o mais comum. No ciclo aberto, representado pela figura 1.a, o fluido de trabalho é comprimido (no compressor) elevando-se a pressão. Este processo não tem nenhum calor adicionado, visto que o compressor, em condições ideais, opera em regime adiabático, fazendo com que o trabalho de compressão aumente a temperatura do ar. Este então entra na câmara de combustão e, em contato com o combustível, reage, iniciando o processo de queima. Os gases resultantes da combustão, à elevada temperatura, expandem-se na turbina gerando energia mecânica, além de acionar o compressor. O trabalho útil produzido é calculado pela diferença entre o trabalho da turbina e o consumido pelo compressor. No ciclo fechado, representado pela figura 1.b, os gases que deixam a turbina passam por um trocador de calor onde sofrem resfriamento para entrar novamente no compressor. Esta configuração apresenta, portanto, melhor aproveitamento do calor e a possibilidade de operação em pressões elevadas. FIGURA 1 Fluxogramas das turbinas a gás: a) Ciclo aberto; b) Ciclo fechado. Fonte: Castro (2006). Apud. Figueiredo (2007). As microturbinas, segundo Figueiredo (2007), possuem o mesmo princípio de funcionamento das turbinas a gás de circuito aberto, apresentando possibilidade de geração de eletricidade em pequena escala. Apresenta alta confiabilidade, simplicidade de projeto, é compacta, de fácil instalação e manuseio. Ainda segundo o autor, os motores de combustão interna realizam trabalho queimando uma mistura de vapor e combustível dentro de um cilindro. O trabalho mecânico é gerado com a transformação do movimento retilíneo do pistão em circular por meio de um virabrequim. É um mecanismo amplamente utilizado, por ser um processo prático e apresenta grande durabilidade. 4

5 Existem dois tipos conhecidos de motores de combustão interna, são eles: motor Ciclo Otto e motor Ciclo Diesel. Funcionam de maneira muito parecida, tendo como diferença principal o processo de adição de calor, que no Ciclo Otto ocorre a volume constante (isocórico) e no Ciclo Diesel ocorre a pressão constante (isobárico). O mais utilizado é o Ciclo Otto, representado na figura 2, a seguir. FIGURA 2 - Desenho esquemático das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto. Fonte: Pecora (2006). Apud. Figueiredo (2007) O funcionamento do motor Ciclo Otto, ainda segundo Figueiredo (2007), ocorre sequencialmente em quatro etapas, consideradas tempos, listadas a seguir. Primeira etapa (tempo): abertura da válvula de admissão através da qual é injetada no cilindro a mistura ar-combustível e o pistão é empurrado para baixo com o movimento do virabrequim. Segunda etapa (tempo): fechamento da válvula de admissão e compressão da mistura (taxa da ordem de 10:1) e conforme o pistão sobe (antes de chegar à parte superior) a vela gera uma faísca. Terceira etapa (tempo): explosão da mistura e expansão dos gases quentes formados na explosão. Esta expansão promove uma força que faz com que o pistão desça. Quarta etapa (tempo): Abertura da válvula de escape através do qual os gases são expulsos pelo pistão. TABELA 1 - Comparação entre os equipamentos de conversão energética. Fonte: CEMBIO (2005). Apud. Figueiredo (2007). 5

6 Pode-se observar que os motores de combustão interna possuem maior eficiência energética, porém emitem muito mais NOx do que as turbinas a gás, o que torna mais vantajosa a utilização destas ultimas. Porém, os motores ainda são os mais utilizados em projetos de recuperação energética. 5. Potencial do estado de São Paulo O estado de São Paulo, segundo IBGE (2010), possui 645 municípios, boa parte deles tem seu próprio aterro sanitário, alguns outros depositam seus resíduos em outro município. Dentre todos os aterros do estado, segundo análise realizada sobre inventário elaborado pela CETESB (2010), 18 recebem por dia a quantia mínima de resíduos para que seja possível a comercialização de energia recuperada do aterro. A seguir, apresenta-se a tabela 2 com o nome das cidades que sediam estes aterros, a quantia de resíduos (em toneladas) recebida por dia, a classificação do aterro (em Adequado, Controlado e Inadequado) e a observação se é aterro próprio (recebe resíduos só do município citado) ou o número de municípios que deposita resíduos no aterro referente. É importante ressaltar que a tabela 2 apresenta uma estimativa da quantidade de lixo depositada nos aterros em questão, não pode ser considerada como informação precisa da quantia absoluta de resíduos em depósito. A classificação apresentada (Adequado, Controlado e Inadequado) refere-se ao IQR (Índice de qualidade de resíduos), pontuação dada em uma escala de 0 a 10, sendo, segundo Ensinas (2003), aqueles entre 0 e 6 considerados inadequados, entre 6 e 8 controlados e entre 8 e 10 adequados. A classificação analisa 41 itens, divididos em aspectos como localização, infraestrutura e condições operacionais. TABELA 2 Aterros do Estado de São Paulo, onde pode ser feita a recuperação energética do biogás. Aterros Sanitários SP Cidade ton/dia Classificação Bauru 203,3 Controlado Próprio Caieiras 5597,6 Adequado 18 municípios Campinas 743,7 Adequado Próprio Guarulhos 855,6 Adequado Próprio Guatapará 864,4 Adequado 22 municípios Iperó 434,3 Adequado 5 municípios Itapevi 355 Adequado 6 municípios Itaquaquecetuba 734,6 Adequado 8 municípios Mauá 250,6 Adequado 8 municípios Onda Verde 270 Adequado 6 municípios Osascos 466,5 Controlado Próprio Paulínia 995 Adequado 28 municípios Santana de Parnaíba 644,1 Adequado 6 municípios Santos 679 Adequado 6 municípios São José dos Campos 430,9 Adequado Próprio São Paulo Adequado 3 municípios 6

7 Tremembé 301,8 Adequado 10 municípios TOTAL 19893,6 Fonte: Elaboração própria, a partir de dados da CETESB (2010). A tabela foi elaborada a partir de um estudo realizado pela CETESB, que estima a quantidade de lixo produzida por cidade através da utilização de índices de produção de lixo por habitante, apresentada na tabela 3 a seguir. TABELA 3 Índices estimativos de produção per capta de resíduos sólidos domiciliares adotados em função da população urbana. Fonte: CETESB (2010) Como pode-se observar na tabela 2, o total de resíduos depositados nos aterros em que a recuperação energética pode ser feita, no estado de São Paulo é ,6 toneladas por dia, o que pode significar um potencial bastante elevado de geração energética no estado. Porém, a quantia de biogás gerada por uma determinada quantidade de lixo e seu potencial energético varia muito de aterro para aterro dependendo de alguns fatores essenciais, que são sumarizados pela figura 3 a seguir e, caracterizados posteriormente segundo Alves (2008) e Figueiredo (2007). FIGURA 3 Fatores que influenciam a geração de biogás em aterro sanitário. Fonte: Maciel (2003). Apud. Alves (2008) 5.1 Geometria e operação do aterro 7

8 Dentre as principais características da geometria do aterro para geração dos gases estão a altura da massa de lixo e o sistema de impermeabilização da célula. A altura de lixo para predomínio das fases anaeróbias deve ser maior que a profundidade de lixo influenciada pelas condições atmosféricas. O sistema de impermeabilização da célula, por sua vez, atua reduzindo os efeitos das condições atmosféricas na massa de lixo. A operação do aterro também influencia os processos de decomposição dos resíduos, haja visto que a redução do volume do lixo por compactação e a utilização de pequenas áreas de operação para um rápido fechamento das células encurtarão o processo aeróbio. A compactação do lixo apresenta outra vantagem, uma vez que quanto maior a densidade alcançada, mais acentuada é a produção de gás por unidade de volume Características Iniciais dos resíduos: a) Composição do resíduo quanto maior a porcentagem de material orgânico no resíduo, maior será o potencial de produção de biogás no aterro. Resíduos de alimentos são exemplos de matéria orgânica facilmente decomposta, o que acelera a taxa de produção do gás. Materiais que se decompõe lentamente, como grandes pedaços de madeira, não contribuem significantemente com a geração de gás; b) Umidade Depende da umidade inicial do resíduo, da infiltração da água da superfície e do solo, e da água produzida na decomposição. Quanto maior o teor de umidade, maior será a taxa de produção do biogás; c) Tamanho das partículas quanto menor a unidade da partícula, maior será a área da superfície específica e, portanto, a decomposição será mais rápida se comparada a uma partícula de menor área. Por exemplo, a decomposição de um tronco de madeira ocorrerá mais rápida se este for cortado em pedaços menores ao invés de ser disposto inteiro; d) Idade do resíduo a geração do biogás num aterro possui duas variáveis dependentes do tempo: tempo de atraso (período que vai da disposição do resíduo até o início da geração do metano) e tempo de conversão (período que vai da disposição do resíduo até o término da geração do metano); e) ph Dentro da faixa ótima de ph a produção do metano é maximizada e fora dessa faixa um ph abaixo de 6 ou acima de 8 a produção de metano fica estritamente limitada; f) Temperatura As condições de temperatura de um aterro influenciam os tipos de bactérias predominantes e o nível de produção de gás. As máximas temperaturas do aterro frequentemente são alcançadas dentro de 45 dias após a disposição dos resíduos, como um resultado da atividade aeróbia microbiológica. Elevadas temperaturas de gás dentro de um aterro são o resultado da atividade biológica. As temperaturas típicas do gás produzido em um aterro variam, tipicamente, entre 30 a 60º C; e g) Outros fatores Outros fatores que podem influenciar a taxa de geração de gás são os nutrientes, bactérias, compactação de resíduos, dimensões do aterro (área e profundidade), operação do aterro e processamento de resíduos variáveis. O biogás é composto de 45 a 60% de metano, 35 a 50% de CO2 e, em pequena quantidade, de outros elementos como N2, H2, H2S e NH3. Seu poder calorífico varia de a kcal/m³, dependendo da quantidade de metano presente na mistura. 8

9 6. Barreiras XVIII SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Segundo estudo realizado por Zulauf (2004) dos 5507 municípios brasileiros, apenas 1,8% possuem condições técnicas para gerar o mínimo viável de energia elétrica por biogás, ou seja, pelo menos 300 kw. O estudo considerou municípios e regiões metropolitanas com mais de 200 mil habitantes, o que representa um pouco menos de 40% da população brasileira. Ressalta-se também que segundo o PROINFA (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica) para se tornar viável a energia advinda do biogás, o valor para o comércio deveria ser cerca de 170 R$/MWh e deve ser utilizada a comercialização de créditos de carbono (do Protocolo de Kyoto), já que a transformação do biogás em energia elétrica diminui a emissão de GEEs (Gases de Efeito Estufa) para a atmosfera, tal comercialização é essencial para os investidores e para a viabilização de projetos de UTE a biogás em aterros. Atento ao fato acima, ocorreu de não apresentarem-se nenhum projeto para biogás nas normas da primeira fase do PROINFA, mas esse caso contribuiu para a discussão sobre o método de incentivo e comercialização da energia gerada pelos biodigestores. TABELA 4 - Fluxo de Caixa e Análise de Viabilidade da Alternativa de Receita Sem a Venda de Crédito de Carbono Valores em Reais (R$) Constantes de 2005 Alternativa 1. Fonte: Silva et al (2008). 9

10 TABELA 5 - Fluxo de Caixa e Análise de Viabilidade da Alternativa de Receita Sem a Venda de Crédito de Carbono Valores em Reais (R$) Constantes de 2005 Alternativa 2. Fonte: Silva et al. (2008). Baseado nas tabelas 4 e 5, observa-se a importância do crédito de carbono na receita final (chegando a gerar 10 vezes mais renda do que a energia propriamente dita) e, portanto, na viabilidade do projeto. E ainda que a discrepância cambial do dólar para o ano atual seja perceptível, ao ocorrer uma diminuição no preço dos créditos comercializados, desencadeia-se um ligeiro barateamento do equipamento importado para a instalação do gerador. 7. Energia Gerada Um fato de grande importância é a complexidade no cálculo da energia gerada pelo biogás dos aterros. Tal fato provém da mistura heterogênea de diferentes materiais com composições diversas, mas felizmente ao mesmo tempo existe uma margem de metano (50%~75%) no biogás proveniente desses resíduos. Fatores diversos como eficiência do motor também influenciam no resultado. 10

11 Para efeito de ilustração, tem-se abaixo o caso do aterro metropolitano Santa Tecla no município de Gravataí no Rio Grande do Sul, de Vanzin et al, onde o autor através da coleta de dados e uso de softwares elaborou um gráfico da geração elétrica do aterro para análise. O gráfico apresenta desde o inicio do aterro Santa Tecla a capacidade de geração de energia, atingindo seu ápice no fechamento de aterro e decaindo ao longo do tempo. FIGURA 4 - Curva de Geração de energia Elétrica Estimada para o Biogás do Aterro Metropolitano Santa Tecla. Fonte: Vanzin et al. (2007). O intuito de apresentar tal gráfico é alertar para as dificuldades de elaboração da estimativa de geração. De fato, a geração de energia elétrica no biodigestor necessita de muita análise e qualificação para sua implementação, sendo tanto a geração elétrica quanto os créditos de carbono oportunidades com certo grau de complexidade. 8. Considerações finais A adequação necessária para a extinção dos lixões, prevista por legislação até 2015, traz altos custos para os municípios. No entanto, o armazenamento adequado de resíduos em aterros pode ser uma oportunidade de geração de energia a partir do biogás, visto a possibilidade de aumento de benefícios adquiridos. Existem projetos neste sentido no Brasil, como foram analisados no presente trabalho nos casos de Caieiras e Santa Tecla (Gravataí). Os diferentes parâmetros indicam modelos distintos de avaliação de viabilidade de produção energética a partir do biogás gerado em aterros sanitários. Modelos esses que comprovam a complexidade da implantação de tais projetos, visto as diversas variáveis envolvidas e suas interações, desde a caracterização dos aterros bem como os diferentes processos de geradores, e o desempenho final na geração dessa energia. Pode-se concluir que o potencial de geração energética a partir do biogás no Estado de São Paulo é bastante elevado e que, com a utilização adequada do mercado de créditos de carbono, a implantação de tais projetos torna-se uma opção viável de fonte alternativa de geração elétrica. O 11

12 calculo do potencial é complexo e precisa ser feito detalhadamente considerando as especificações de cada aterro, mas é uma oportunidade a ser considerada. Com tal finalidade o presente artigo contribui com estas considerações e traz um questionamento sobre como os futuros projetos de biodigestores nos aterros se comportarão, ameaçados pela validade iminente do Protocolo de Kyoto (crédito de carbono) e falta de consenso mundial para sua renovação ou prorrogação. Sendo, portanto, necessária a elaboração e discussão de planos para suceder esses possíveis eventos do melhor modo possível. 12

13 9. Referências XVIII SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ABREU, F. V.; ROSA L. P.; AVELINO M. R.; SOUZA M. C. L.; NACIMENTO V. C.; SOUZA E. S. Estudo técnico, econômico e ambiental da produção de energia através do biogás de lixo, Disponível em: Biogas.pdf ALVES, I. R. F. S. Análise experimental do potencial de geração de geração de Biogás em Resíduos Sólidos Urbanos, Disponível em: AMESEIXAL Agência Municipal de Energia do Seixal. Biogás. Disponível em: CETESB. Inventário Estadual de Resíduos Sólidos Domiciliares, Disponível em: ENSINAS, A. V. Estudo da Geração de Biogás no Aterro Sanitário Delta em Campinas SP, Disponível em: %20aterro%20sanit%E1rio%20Delta%20em%20Campinas.pdf FIGUEIREDO, N. J. V. Utilização de biogás de aterro sanitário para geração de energia elétrica e iluminação a gás Estudo de Caso, Disponível em: PECORA V.; FIGUEIREDO N. J. V.; COELHO S. T.; VELÁZQUEZ S. M. S. G. CEMBIO Biogás e o Mercado de Créditos de Carbono, Disponível em: SILVA C. L.; RABELO J. M. O.; BOLLMAN H. A. Energia no Lixo: uma avaliação da viabilidade do uso do biogás a partir de resíduos sólidos urbanos, Disponível em: VANZIN E.; PANDOLFO A.; LUBLO R.; STEFFENON B.; PANDOLFO L. M. Uso do Biogás em Aterro Sanitário como Fonte de Energia Alternativa: Aplicação de Procedimento para Análise da Viabilidade Econômica no Aterro Sanitário Metropolitano Santa Tecla, Disponível em: ZULAUF M. Geração com biogás de aterros de lixo. Dossiê energia positiva para o Brasil, pag. 37, Disponível em: 13