GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA BIODIGESTÃO ANAERÓBICA DA VINHAÇA

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1 GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA BIODIGESTÃO ANAERÓBICA DA VINHAÇA EDER FONZAR GRANATO Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia da UNESP - Campus de Bauru, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Industrial. BAURU - SP Abril-2003

2 GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA BIODIGESTÃO ANAERÓBICA DA VINHAÇA EDER FONZAR GRANATO Orientador: Prof. Dr. Celso Luiz da Silva Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia da UNESP - Campus de Bauru, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Industrial. BAURU - SP Abril-2003

3 DADOS CURRICULARES EDER FONZAR GRANATO NASCIMENTO: FILIAÇÃO: Ângelo Granato Antonia Fonzar Granato 1980/1985: Curso de Graduação Faculdade de Engenharia Industrial de São José dos Campos. 1990/1991: Curso de Pós-Graduação Latu-Sensus, em Didática do Ensino Superior, na Instituição Toledo de Ensino de Araçatuba. 1992/1994: Curso de Pós-Graduação Latu-Sensus, em Qualidade Total em Agricultura Empresarial, na Faculdade de Agronomia de Lavras MG. 1999/2002: Licenciatura Plena em Matemática Fundação de Ensino de Penápolis. 1989/1999: Professor da Faculdade de Tecnologia de Birigui S.P nas Disciplinas: Desenvolvimento do Projeto do Produto (I, II e III), Sistemas Mecânicos, Fabricação e Estágio Supervisionado. 1983/1986: Eng. Mecânico na Área de Métodos e Processos na ENGESA S.A. de São José dos Campos. 1986/2003: Gerente na área Agrícola no Setor Sulcro-Alcooleiro.

4 à minha esposa, às minhas filhas, ao Grande Arquiteto do Universo, dedico.

5 A G R A D E C I M E N T O S Ao professor Dr. Celso Luiz Silva, que em inúmeras vezes, além de honrar o compromisso de orientador, oferecendo sua indispensável colaboração, sempre soube descer os degraus do saber, como bem sabem os grandes, e doou, além de sua sabedoria e apoio, uma amizade pura e fraterna. Ao Eng. Agrº. Adilson José Rossetto, pela valiosa colaboração. Ao Engº. José Myasaki e sua equipe de trabalho, pelas orientações práticas, fornecimento de conhecimentos e dados indispensáveis. Ao Engº. Dr. Paulo de Lamo, cujas informações foram básicas e de grande auxílio para a realização deste trabalho. Aos Professores do Curso de Pós-Graduação, pelos ensinamentos. Aos funcionários da secretaria do Curso de Pós-Graduação, pelo profissionalismo e atenção sempre presentes. Aos colegas Pós-Graduandos, pelo incentivo, amizade e colaboração nas diversas fases do trabalho.

6 I INDICE Página LISTA DE FIGURAS III LISTA DE TABELAS V LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS VII RESUMO IX ABSTRACT X 1. INTRODUÇÃO 1 2. OBJETIVOS 5 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Problema Energético Energias Alternativas Biodigestão Microbiologia Influências no Processo Biodigestores Anaeróbicos Biodigestores de Fluxo Ascendente Vinhaça Biodigestão da Vinhaça Biogás METODOLOGIA Parâmetros obtidos na Central de Informações da Empresa Dados de álcool produzido Dados de vinhaça gerada Dados referentes à energia elétrica consumida gerada pela queima do bagaço de cana nas caldeiras Dados referentes à energia elétrica consumida adquirida da Concessionária Dados referentes ao custo da energia adquirida da concessionária 62

7 II Dados referentes a precipitação pluviométrica mensal em mm Biodigestor recomendado Turbina a gás recomendada Métodos Métodos para cálculo do Volume de Vinhaça Gerada por dia Biodigestão Anaeróbica da Vinhaça Queima do biogás na turbina Metodologia para cálculo da quantidade e energia gerada pela biodigestão da vinhaça em Produção de energia elétrica Exemplo Metodologia utilizada para cálculo dos custos de instalação e retorno de investimento RESULTADOS E ANÁLISES Disponibilidade de energia elétrica produzida pela biodigestão Relação entre energia elétrica produzida pela biodigestão e a energia elétrica total consumida na empresa Cálculo do retorno de investimento Implicações Ambientais CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 82 ANEXO A 89 ANEXO B 101 ANEXO C 113

8 III LISTA DE FIGURAS Página Figura Etapas da fermentação anaeróbica para produção de metano 23 Figura Biodigestor batelada em tambor metálico 29 Figura Biodigestor empregado em tratamento de esgoto doméstico 30 Figura 3.4. Biodigestor em plástico flexível 31 Figura 3.5. Tanque séptico Imhoff 32 Figura Biodigestor modelo indiano 32 Figura Biodigestor modelo chinês 33 Figura Biodigestor de fluxo ascendente 34 Figura Lodo granulado 35 Figura Fluxograma básico da produção de álcool 39 Figura Esquema básico da biodigestão anaeróbica da vinhaça 54 Figura Etapas de produção e utilização do biogás 56 Figura 4.1. Tanques de armazenamento de álcool 61 Figura 4.2. Instalação do medidor de vazão nas colunas da destilaria 61 Figura 4.3. Instalação do biodigestor UASB 63 Figura Turbina gás modelo J320V81 63 Figura Conjunto J320V81 instalado em Rio Ventura Bahia 64 Figura 5.1. Gráfico demonstrativo da produção de álcool, vinhaça e energia alternativa da safra 1990/ Figura 5.2. Gráfico demonstrativo da média de produção de álcool, vinhaça e energia alternativa das safras de 1990/1991 até 2001/ Figura 5.3. Gráfico demonstrativo da relação da aquisição, geração e consumo de energia elétrica da safra 1990/ Figura 5.4. Gráfico demonstrativo da média da relação da aquisição, geração e consumo de energia elétrica das safras 1990/1991 até 2001/ Figura 5.5. Canal de vinhaça a céu aberto 77 Figura Tanque de armazenamento de vinhaça a céu aberto 78

9 IV Figura 5.7. Gráfico demonstrativo dos índices pluviométricos mensais da safra 1990/ Figura 5.8. Gráfico demonstrativo da média dos índices pluviométricos mensais das safras de 1990/1991 até 2001/

10 V LISTA DE TABELAS Página Tabela Demonstrativo da taxa de crescimento da produção do álcool anidro e hidratado no Brasil 1 Tabela Bactérias não metanogênicas isolada em digestores anaeróbicos 21 Tabela 3.2. Espécies de bactérias metanogênicas e compostos orgânicos 22 Tabela Classificação de biodigestores 29 Tabela Resultados da análise da vinhaça obtidos por Razanni e Gomes 41 Tabela Composição da vinhaça de melaço e de caldo de cana-de-açúcar 42 Tabela Composição média das vinhaças em diversos tipos de mostos 43 Tabela 3.7. Quantidade de matéria orgânica nas vinhaças de diversos tipos de Mostos 43 Tabela Composição de vinhaça durante a safra de 1975 no Estado S.P. 44 Tabela Teores médios dos elementos analisados em 27 amostras de vinhaça de melaço de diferentes origens 44 Tabela Amplitude de variação dos principais constituintes da vinhaça de destilaria segundo Rodella. 46 Tabela Resultados médios das análises da Usina São João em seis Safras 46 Tabela Valores médios dos principais dos três tipos de vinhaça para diversas regiões do Brasil 47 Tabela Características físico/química da vinhaça segundo Lamo 49 Tabela Balanço energético de uma tonelada de cana 55 Tabela Comparativo energético do biogás com outros combustíveis 57 Tabela Comparação entre os custos de produção de alguns energéticos potencialmente concorrentes com o biogás 58 Tabela Estimativa do potencial brasileiro de substituição de alguns energéticos por biogás 58

11 VI Tabela 5.1. Demonstrativo da produção de álcool, vinhaça e energia elétrica alternativa da safra 1990/ Tabela 5.2. Demonstrativo da média da produção de álcool, vinhaça e energia elétrica alternativa das safras 1990/1991 até 2001/ Tabela 5.3. Demonstrativo da relação entre aquisição, geração e consumo de energia elétrica da safra 1990/ Tabela 5.4. Demonstrativo da média da relação entre aquisição, geração e consumo de energia elétrica das safras 1990/1991 até 2001/ Tabela 5.5. Custo da aquisição de energia elétrica da concessionária 76 Tabela 5.6. Demonstrativos dos índices pluviométricos mensais da safra 1990/ Tabela 5.7. Demonstrativo da média dos índices pluviométricos mensais das safras 1990/1991 até 2001/

12 VII LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS % AV = teor alcoólico do vinho ANEEL = Agência Nacional de Energia Elétrica BID = Banco Interamericano de Desenvolvimento Brix = sólidos em suspensão CCC = conta de consumo de combustível CDE = conta de desenvolvimento energético CO = carga orgânica DBO = demanda bioquímica de oxigênio DQO = demanda química de oxigênio E = eficiência de remoção de DQO E1 = eficiência da turbina a gás F = fator de conversão de biogás por DQO removido GEB = ganho de energia pelo biogás GLP = gás liquefeito de petróleo GW = giga watt HP = horse power MME = Ministério de Minas e Energia ONGS = Organizações não governamentais P&D =pesquisa e desenvolvimento PB = produção de biogás PEEB = produção de energia elétrica pelo biogás PCHS = pequenas centrais hidrelétricas r = coeficiente de correlação RGR = reserva global de reversão RU = Reino Unido UASB = biodigestor de fluxo ascendente VAP = volume de álcool produzido

13 VIII VAV = volume de álcool do vinho VR = valor de referência VVG = volume de vinhaça gerada

14 IX GRANATO, E. F. Geração de Energia Elétrica pela Biodigestão Anaeróbica da Vinhaça. Bauru, p. Dissertação (Mestra em Engenharia) Faculdade de Engenharia, Campus de Bauru, Universidade Estadual Paulista. RESUMO O objetivo principal deste trabalho é analisar o potencial de geração de energia elétrica a partir da queima do biogás gerado no processo de biodigestão anaeróbica da vinhaça, de uma destilaria com capacidade produtiva de 600 metros cúbicos de álcool por dia. Foram analisadas doze safras (de 1990/1991 até 2001/2002), das quais se obteve dados referentes à produção de álcool e de vinhaça, permitindo a estimativa do potencial de energia a ser produzida pela biodigestão anaeróbica deste efluente. Comparou-se as quantidades de energia elétrica gerada pela queima do bagaço, de energia elétrica adquirida da concessionária e da energia elétrica a ser gerada pela biodigestão anaeróbica da vinhaça, concluindo-se que no caso do processo em estudo operar em condições normais, poderá haver uma redução de 62,70% na aquisição de energia elétrica da concessionária. Analisaram-se também as implicações ambientais, levando-se em conta os obstáculos e riscos que o processo atual de tratamento deste efluente oferece e os benefícios que a biodigestão anaeróbica da vinhaça pode trazer, através da redução do potencial poluidor do efluente e de seu tratamento (biodigestão) ser realizado em ambiente semiconfinado, não sofrendo os agravantes oriundos das chuvas nos meses de maiores índices pluviométricos.

15 X GRANATO, E. F. Alternative production of energy by anaerobic biodigestion of vinasse. Bauru, 2003, 130p. Dissertation, Master of Engineering, College of Engineering, Campus of Bauru, University of State of Sao Paulo. ABSTRACT The main aim of this study is to generate electricity through the burning of biogas, which is obtained from the process of anaerobic biodigestion of vinasse. This work was done in a destilary, which can produce 600 m³ of alcohol a day. The data to be estimated the capacity of producing power from that effluent came from the analysis of twelve crops grown from 1990/1991 to 2001/2002 and the production of alcohol and vinasse. From them comparing the amount of electricity generated by the burning of the cane pulp and from the electricity obtained from the power suppliers and also from anaerobic biodigestion by vinasse. It was concluded that process works in normal conditions it will have the reduction of 62,70% in the acquisition of power from the suppliers. It was also analysed harm that it might bring to the environment, considering the obstacles and risks that current process of treatment of that effluent offers. And also the benefits that anaerobic biodigestion of vinasse may bring, reducing the potential of pollution of that effluent and of its treatment (biodigestion) to be done in semiconfinement environment not suffering any harm when the months the high levels of rain occur.

16 1 1. INTRODUÇÃO A escassez de recursos naturais renováveis, o aumento da demanda de energia e suas implicações ambientais têm estimulado pesquisas e desenvolvimento de tecnologias alternativas de suprimento energético. A conversão da biomassa em energia vem tomando cada vez mais espaço no contexto das alternativas viáveis. A produção de álcool no Brasil vem cada vez mais se firmando como alternativa de substituição de combustíveis fósseis, pois além da frota veicular movida a álcool hidratado, existe também o consumo do álcool anidro no mercado interno e externo. Desde a década de 30, o setor alcooleiro vem sofrendo intervenções do Estado, com medidas visando manter o equilíbrio entre estoque e preço, por ser um setor voltado à produção de energia na forma de combustível. A maior aceleração da produção de álcool ocorreu na década de 70, com o início do Proálcool, que consistia num programa de incentivo intenso para a utilização de motores movidos a álcool, motivada pela crise do petróleo do Oriente Médio que acenava para uma elevação do preço do barril de petróleo a um patamar de 90 dólares. A Tabela 1.1. demonstra a taxa de crescimento anual da produção de álcool anidro e hidratado, no período no Brasil. Tabela 1.1. Demonstrativo da taxa de crescimento da produção do álcool anidro e hidratado no Brasil Ano Anidro Hidratado Total % 38,9% 35,8% ,7% 1,0% 2,2% ,0% 0,2% -0,6% ,0% 2,6% 7,9% ,1% -1,1% 3,8% Fonte: Pinto (1999).

17 2 Com o protocolo firmado em Kyoto, em 2001, houve um comprometimento dos países de economia avançada e em transição para reduzir a taxa de emissão de CO2 em 6%, entre 2008 e 2012, em relação a Atualmente no Brasil se adiciona 25% de álcool hidratado na gasolina, objetivando a redução na emissão de poluentes pela queima desse combustível, sendo que deverá ser aprovada a taxa de 5% para o óleo Diesel. Este tipo de mistura de combustível está sendo estudado para breve aprovação em países desenvolvidos como Estados Unidos e Japão. Segundo Pinto (1999), a indústria canavieira do Brasil tem forte influência no cenário energético, econômico e social do país, fazendo assim do Brasil o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, com cerca de 300 milhões de toneladas na safra 1997/1998, sendo que 70% desse volume é direcionado à produção do etanol, perfazendo um total de 15,1 milhões de m³. Este setor gera cerca de 600 mil empregos diretos no campo, num total de 328 usinas produtoras, cultivando uma área próxima de 5,5 milhões de hectares, representando 3% do Produto Interno Bruto brasileiro. O volume dos subprodutos da industria canavieira representam em torno de 80 milhões de toneladas de bagaço e cerca de 200 milhões de m³ de vinhaça. Esses resíduos são subaproveitados e representam um potencial significativo de uma fonte renovável no setor energético, principalmente a médio e longo prazo (Bini, 1993). De acordo com Lamo (1991), para cada litro de álcool produzido são gerados de 10 a 15 litros de vinhaça, sendo esta um resíduo altamente poluente e problemático no manejo e conseqüente eliminação. Esse resíduo, na quase totalidade dos casos, é empregado in natura na lavoura da cana-de-açúcar, num volume que varia entre 400 a 500 m³/ha, de acordo com a necessidade de nutrientes do solo, substituindo em parte a utilização de fertilizantes químicos, mantendo a fertilidade do solo após anos do cultivo da cana-de-açúcar, mineralizando a matéria orgânica, aumentando o conteúdo de cálcio, potássio, nitrogênio e fósforo (Rossetto, 1988). Essa prática denominada fertirrigação oferece em curto prazo uma solução para o problema da disposição desse resíduo.

18 3 Levando-se em conta as várias remontas ocorridas em áreas próximas à unidade produtora, durante anos consecutivos, que ocorrem por redução de custos de transportes, disponibilidade de recursos e equipamentos adequados, o volume de vinhaça aplicado supera o recomendado. Eleva-se assim o teor de nitrogênio do solo à níveis comprometedores, aliado a problemas de infiltrações e percolações contaminando o lençol freático, representando risco para a saúde humana (Copersucar, 1979). Pesquisas se fazem necessárias para que esse fato seja minimizado a ponto de não comprometer legalmente as unidades produtoras junto aos órgãos fiscalizadores atendendo assim a legislação vigente. Embora a fertirrigação não apresente atualmente riscos ecológicos de maiores montas, nota-se que o objetivo principal das unidades produtoras é se livrar de um resíduo incômodo e perigoso de forma mais rápida e econômica possível, sem causar maiores danos paralelos nem complicações com os órgãos fiscalizadores do meio ambiente. A viabilidade técnica da digestão anaeróbica da vinhaça vem sendo provada por vários estudos, operando em plantas-piloto nas condições reais de trabalho, sendo que algumas delas foram instaladas em escala de trabalho normal no Brasil. Existe um balanço econômico desfavorável, causado principalmente, pelo baixo preço dos competidores diretos do biogás produzido na biodigestão, além da falta de aplicações práticas e constantes da tecnologia da digestão anaeróbica, contribuindo para uma desmotivação em investimentos, colocando-a em planos inferiores na escala de interesses de desenvolvimento, (Salerno, 1991). Segundo Souza (1999), parte-se do pressuposto que a tecnologia da digestão anaeróbica da vinhaça, chamada de tecnologia limpa, contribui diretamente ao desenvolvimento sustentável. Por esse raciocínio, devido ao volume de vinhaça gerado na empresa em estudo, será proposta a alternativa de biodigestão anaeróbica deste efluente, obtendo-se biogás que poderia ser queimado numa turbina, para acionar um gerador de eletricidade.

19 4 Dessa forma o efluente, após passar pelo processo de biodigestão anaeróbica, poderá ser utilizado como biofertilizante no processo de fertirrigação já existente, sem prejudicar suas características de adubação orgânica, com uma taxa reduzida de DQO/DBO, baixa produção de lodo, baixa relação da taxa Carbono/Nitrogênio, reduzindo custos operacionais e de investimento, oferecendo a possibilidade de descentralização de tratamento do efluente, de acordo com Copersucar (1979). Em relação ao aspecto ambiental, o aumento da taxa de CO2 na atmosfera proveniente da queima de combustíveis oriundos da biomassa, é compensado na fotossíntese, o que não ocorre na queima de combustíveis fósseis (Rocha, 1988). A tecnologia de biodigestão anaeróbica da vinhaça pode ser considerada totalmente dominada, principalmente na sua teoria, e na prática se encontra pronta para ser utilizada e abre novas e melhores possibilidades de obtenção de energia, contribuindo para a redução de custos com energia nas usinas e destilarias (Salerno, 1991). De acordo com Souza (2000), quanto à tecnologia de biodigestão, consideram-se reatores UASB (Upflow Anaeróbic Sludge Blanket) como sendo os reatores que mais se adaptam ao processo de digestão anaeróbica da vinhaça. Tal avaliação foi efetuada com base na análise dos custos de produção de biogás. Embora existam outras alternativas para a utilização do biogás produzido da biodigestão da vinhaça, será considerada a de se utilizar 100% deste gás na queima em turbina, gerando energia elétrica.

20 5 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo Geral Avaliar o potencial de geração de energia elétrica pela queima do biogás em turbina, produzido pela biodigestão anaeróbica do resíduo vinhaça, em destilaria anexa a usina de açúcar com capacidade de produção diária de litros de álcool Objetivos Específicos - Demonstrar a disponibilidade de energia elétrica gerada pela biodigestão anaeróbica da vinhaça; - Comparar o potencial de geração de energia elétrica pela biodigestão da vinhaça com o total de energia elétrica consumida na empresa; - Analisar as implicações ambientais proporcionadas pela geração do resíduo vinhaça in natura e após a biodigestão anaeróbica. - Calcular a viabilidade econômica para a instalação do processo de geração de energia elétrica com a biodigestão anaeróbica.

21 6 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Problema Energético É de conhecimento geral que existe a limitação de recursos não renováveis e, de acordo com Pinto (1999), quem primeiro trabalhou sistematicamente esse assunto foi Malthus, no século XVIII, com a lei de rendimentos decrescentes, a qual sugere simplesmente que, se a quantidade de terras é fixa, a produção pode aumentar somente de forma aritmética, enquanto a população aumenta geometricamente. Ebeling, 1988, aborda outros trabalhos desenvolvidos por pesquisadores que surgiram questionando a disponibilidade e utilização de recursos a nível mundial, todavia cita o que mais influiu na consolidação da imagem atual de nosso planeta e nos debates sobre o seu futuro. Foi o documento denominado Relatório Meadows, publicado em 1972, que estuda os limites de crescimento, baseado em cinco variáveis o estoque de capital industrial, a população, a poluição, a oferta de alimentos e a disponibilidade de recursos naturais não renováveis, foram desenvolvidos modelos matemáticos capazes de evidenciarem que essas variáveis estavam sujeitas a ciclos positivamente realimentados, interagindo entre si de modo exponencial. Várias combinações reversas entre essas variáveis foram testadas e concluiu-se então que o referido relatório deveria propor a detenção de todos os ciclos positivos de realimentação, pois mesmo com a hipótese de recursos ilimitados a poluição apareceu como limite preocupante. Segundo Cavalcanti (1995), se a Terra é finita, a oferta de recursos é rígida, se os estamos consumindo, eles acabarão. São idéias facilmente assimiladas pelo bom senso, mas equivocadas por não traduzirem a especificidade do conceito de recursos. Estes são aquelas partes da natureza que podem ser aproveitadas num dado momento. É, portanto, um conceito dinâmico. O trabalho e a inteligência humanos fizeram com que a matéria passasse a condição de recurso. Pode-se afirmar isto, pois até o século XIX, o petróleo não

22 7 era recurso. Antes do desenvolvimento da física nuclear, também o urânio não era considerado recurso, e o mesmo raciocínio se aplicam à energia potencial das cachoeiras, às ondas de rádio, às ligas metálicas e até à roda. Assim, se a tecnologia varia de forma contínua, modificam-se incessantemente os fatores, escapando-se ao determinismo da lei de rendimentos decrescentes de Malthus e não se aplicando a situações em que ocorrem desenvolvimento das forças produtivas e progresso tecnológico. Os sucessivos níveis técnicos permanecem ocultos até serem atingidos através de novas descobertas, definindo situações históricas irreversíveis (Galvão, 2000). Numa visão macro do problema energético mundial, pode-se afirmar que as alternativas como o domínio da fusão nuclear, o aproveitamento da energia solar e eólica, a supercondutividade, os trabalhos com minérios mais nobres e a exploração do espaço e do fundo do mar podem tornar-se soluções imediatas. Entretanto esse pensamento, não pondera a aceleração das mudanças promovidas pelo homem. São consumidos cada vez mais minérios e combustíveis, e a extinção de animais continua crescente aliada à perda de cobertura vegetal do planeta. Nota-se que esses problemas já existiam no passado, e a tecnologia ajudou a resolvê-los, como exemplo cita-se a substituição da madeira pelo carvão como combustível e pelo ferro como material construtivo; atualmente a tecnologia industrial tem um impacto completamente novo: os efeitos de um derramamento de toneladas de petróleo, de um acidente nuclear, de emissões de CO2, outros gases-estufa ou compostos de cloro-flúor-carbono alcançam regiões inteiras de uma só vez, podendo, em seguida, afetar o planeta como um todo. Vem daí a idéia da fragilidade da vida complementando a de finitude, na imagem atual do nosso mundo (Bermann, 2000). Walter (2000), completa que há um outro lado importante dessa discussão. As relações econômicas e políticas fazem com que a utilização das reservas esteja sujeita a diversas circunstâncias, de natureza comercial e estratégica, capazes de tornar as mercadorias mais caras, graças a sua escassez, fazendo mais poderoso um grupo ou país. Todo o conflito de conquista, perda e distribuição de poder envolve essa discussão sobre limites físicos da Terra. Isto nos remete ao problema das relações entre os homens, e não somente destes com uma natureza que lhes

23 8 seja exterior. Entre 80% e 90% do comércio mundial de cobre, minério de ferro, bauxita, produtos florestais, algodão, juta, tabaco, café, cacau e outros produtos são controlados, no caso de cada produto, por três a seis grandes empresas. Sendo necessário então voltar o pensamento para a qualidade do crescimento, em direção a serviços menos poluentes e menos exigentes de recursos naturais, o que se liga à necessária mudança nos padrões de consumo. Abordando muitas das questões críticas relacionadas ao crescimento desigual e pobreza, que impõe pressões sem precedentes sobre terras, águas, florestas e outros recursos naturais do planeta. Se nosso mundo pode ser infinito e ilimitado graças à nossa capacidade de recriá-lo a cada era de inovações, a tecnologia por si só não pode resolver os problemas da natureza humana a que, cedo ou tarde, os homens terão que fazer face Energias Alternativas No Brasil, cerca de 25 milhões de pessoas, ou seja, aproximadamente 15% da população, vivem sem acesso à energia elétrica. Essa população vive majoritariamente no meio rural e em áreas remotas do país. Estima-se que o número de propriedades rurais sem acesso à eletricidade seja da ordem de 100 mil (Walter, 2000). Ainda esse autor, cita que em todo o mundo, estima-se que dois bilhões de pessoas vivam sob tal restrição. Para o atendimento dessa população, em contraposição à tradicional ação de extensão da rede elétrica a essas áreas, a partir da geração de eletricidade em grandes centrais, tem sido considerada a geração distribuída de energia elétrica, em pequena escala, nos próprios locais onde a eletricidade é consumida ou, ainda, o abastecimento através de uma rede elétrica local, de pequena extensão. Daí surgem propostas de utilização de formas renováveis de energia, visto que em relação aos custos de extensão da rede elétrica a geração local pode ser mais vantajosa, mesmo que custos externos (por exemplo, associados à geração local de empregos e aos menores impactos ambientais) não sejam considerados (Bermann, 2000).

24 9 Algumas ações voltadas ao fomento das formas renováveis de energia foram recentemente adotadas, ou estão por ser adotadas, no país. De acordo com Cavalcanti (1995), em vários países, ao longo dos anos 90, a estrutura do setor elétrico, até então organizada em torno da geração centralizada e contando predominantemente com centrais de grande porte, começou gradualmente a ceder espaço para a geração distribuída. A liberalização do mercado de eletricidade e as inovações tecnológicas são fatores que favoreceram essas mudanças. Unidades de geração de pequeno porte são mais facilmente financiáveis, fato que potencialmente pode resultar em um maior número de unidades geradoras, e podem ser construídas mais próximas dos consumidores, reduzindo os investimentos, reduzindo as perdas no transporte e demandando menor controle centralizado. A geração distribuída pode também proporcionar uma série de vantagens técnicas, tais como melhor estabilização da rede, melhor controle de tensão, de harmônicos e potência reativa. Ademais, com pequenas unidades podese conseguir melhor ajuste do escalonamento da capacidade de geração a taxas variáveis de crescimento da demanda. As formas de energia renováveis, em função da baixa densidade energética, são mais bem adaptadas para a geração distribuída do que para a geração centralizada. Dessa forma, uma clara oportunidade para as formas renováveis de energia é identificada na tendência atual de maior dispersão das unidades de geração elétrica. Segundo Bermann (2000), por outro lado, enquanto o foco de atenção dos agentes do setor elétrico está fundamentalmente voltado ao curto prazo, os benefícios das formas renováveis, em função dos maiores custos iniciais e do seu menor estágio de desenvolvimento tecnológico, podem ser mais bem identificados em um horizonte de médio a longo prazos. Em curto e médio prazo uma maior participação das formas renováveis na geração de eletricidade deve depender de fatores tais como a importância da geração distribuída e, conseqüentemente, das unidades de pequeno porte no parque gerador, e de como serão tomadas as decisões relativas à expansão do setor elétrico e, nesse contexto, quão importante serão os aspectos ambientais e sociais para as tomadas de decisão.

25 10 Embora a geração de eletricidade a partir de formas renováveis de energia pode, potencialmente, contribuir tanto do ponto de vista ambiental quanto social, em função de menores emissões atmosféricas, menos consumo d água, geração de empregos e incentivo à atividade econômica a nível local, apresenta restrições que advêm do alto investimento inicial, da natureza dispersa e da intermitência dos recursos (energia eólica e solar). Tais fatores resultam em maiores incertezas, maior percepção de risco por parte dos investidores, e dificuldades para se alcançar economias de escala. Na escolha correta para uma ou mais formas de energias renováveis de determinada região deve-se levar em conta: distância da rede elétrica principal, disponibilidade de recursos energéticos, a competitividade da fonte renovável em relação à energia tradicional e sua expansão, relação que a forma renovável possa estabelecer com as atividades locais a fim de se aproveitar à geração de resíduos, recursos e mão de obra local e principalmente a cultura regional, sendo fator básico para que a nova forma de fornecimento de energia tenha sucesso e aceitação local. De acordo com Pinto (1999), uma experiência bem sucedida de participação da comunidade no processo de decisão foi desenvolvida na Índia, na região rural próxima de Bangalore. Conjuntos gaseificadores aliados a motores de combustão interna e biodigestores foram introduzidos com o objetivo de viabilizar o bombeamento d água tanto para irrigação quanto para o consumo humano. Orientada por técnicos do Indian Insitute of Science, a comunidade escolheu a tecnologia, definiu a sistemática de operação e participa ativamente da operação e da manutenção dos sistemas. Como formas de energias renováveis mais desenvolvidas e aplicadas na prática pode-se citar, de acordo com Walter, 2000: a) Energia Eólica: A produção de eletricidade a partir da energia eólica é a que teve os resultados mais significativos nos últimos anos, tanto em termos de capacidade instalada quanto na redução dos custos da eletricidade gerada. Desde 1980 o custo médio de capital foi reduzido cerca de 80%.

26 11 Na continuidade de expansão do mercado e do desenvolvimento tecnológico, a expectativa é que esses custos sejam ainda mais reduzidos, tornando-a plenamente competitiva enquanto alternativa de expansão da capacidade de geração elétrica. Atualmente a capacidade eólica instalada é de 10 GW, sendo cerca de 8,3GW estão na Europa (só na Alemanha, 3,9 GW). No Brasil o maior potencial eólico encontra-se nas regiões litorâneas, devido aos recursos naturais disponíveis, fixando assim uma região para aplicação do mesmo. b) Energia Solar Fotovoltaica: No caso da energia solar fotovoltaica, as reduções de custo e o crescimento do mercado também foram significativos, embora os resultados sejam inferiores aos apresentados pela energia eólica. Nos últimos 20 anos a geração fotovoltaica atingiu um estágio comercial, sendo no momento tecnologia corrente na produção de eletricidade tanto em áreas isoladas quanto para a injeção de energia à rede. As taxas de crescimento do mercado têm sido altas, da ordem de 20-30% ao ano; só em 2000, estima-se que 200 MW de capacidade fotovoltaica adicional tenham sido instaladas em todo o Mundo. Os custos de capital por instalado, no presente, variam entre cinco e quinze vezes os custos unitários de um ciclo combinado para queima de gás natural (a tecnologia de referência para expansão do setor elétrico em quase todo o Mundo), mas a tendência de queda é acentuada. c) Energia da Biomassa: A produção de eletricidade a partir da biomassa, em ciclos a vapor convencionais de pequena capacidade, é comercial em países como a Finlândia, a Suécia e em algumas regiões dos EUA. Já a produção de eletricidade em larga escala, em sistemas de alta eficiência (gaseificação da biomassa e emprego do gás combustível resultante na alimentação de ciclos combinados de alto desempenho) envolve tecnologia ainda em desenvolvimento, que pode atingir estágio comercial em até dez anos.

27 12 Regra geral, em função da baixa eficiência operacional e dos custos iniciais relativamente altos, a produção de eletricidade em ciclos com turbinas a vapor ou máquinas a vapor só é competitiva em sistemas isolados, quando do uso da biomassa residual e/ou quando da existência de incentivos regulatórios específicos (Schirm, 1991) Outras alternativas de pequena capacidade para a produção de eletricidade a partir da biomassa, tais como sua gaseificação e o uso do gás combustível em motores de combustão interna (substituindo total ou parcialmente a gasolina ou o Diesel), ou ainda o uso de óleos vegetais, envolvem tecnologias conhecidas embora não ainda comercialmente competitivas e tampouco confiáveis (esses sistemas apresentam baixa disponibilidade). Problemas relativos à limpeza do gás ainda persistem no caso dos sistemas gaseificação e motores, enquanto no caso dos óleos vegetais as restrições estão, sobretudo, na confiabilidade da operação contínua dos motores de combustão interna (IPT, 1986). Ainda estão em desenvolvimento tecnologias envolvendo a pirólise da biomassa e emprego do óleo resultante em motores de combustão interna, e a gaseificação de biomassa e emprego do gás em motores Stirling (de combustão externa); ambas, no entanto, ainda estão em estágio muito preliminar de desenvolvimento. d) Micro e Pequenas Centrais Hidrelétricas: A tecnologia das micro e pequenas centrais hidrelétricas (PCHS) é plenamente dominada já há muitos anos, podendo ser considerada totalmente comercial e confiável. Em 1997 havia cerca de 340 PCHS em operação no Brasil, totalizando uma capacidade de cerca de 630 MW, construídas entre os anos de 1970 e Uma capacidade adicional de 790 MW pode ser viabilizada nos próximos anos, tendo-se por base os quase oitenta projetos sob análise ou até mesmo já em construção. Tendo em vista o porte das PCHS (na faixa de 1 a 30 MW) e o custo unitário de capital, que é da ordem de 1100 US$/kW instalado (Carvalho, 2000), sendo uma alternativa inviável para estabelecimentos rurais isolados, mas bastante factível, por exemplo, para cooperativas de eletrificação rural.

28 13 Em síntese, para o meio rural brasileiro, a produção de eletricidade com células fotovoltaicas apresenta um potencial bastante significativo, embora seja uma alternativa mais adequada para atendimento de pequenas cargas. Para a energia eólica, sabendo-se que o maior potencial encontra-se nas regiões litorâneas, não são disponíveis tecnologias geradoras no país, mas, de qualquer forma, unidades de grande porte (750 kw 2 MW) e maior eficiência, tais como as que são no momento construídas em alguns países, são inviáveis para estabelecimentos isolados (Carvalho, 2000). Já no caso da biomassa, consideradas as tecnologias aprovadas, os ciclos a vapor com turbinas só seriam viáveis em complexos agro-industriais de médio e grande porte. Finalmente, para as tecnologias de gaseificação de biomassa e motores de combustão interna, bem como para o emprego de óleos vegetais, ainda é preciso se avançar no desenvolvimento para que esses sistemas sejam confiáveis e competitivos (Walter, 2000). O alto custo inicial, o estágio pré-comercial de grande parte das tecnologias e a percepção de risco por parte dos empreendedores inibe os investimentos em formas renováveis. Como o mercado não se desenvolve em condições ideais, não há escala de produção, e os custos de capital não caem como seria desejável. Esse ciclo vicioso precisa ser rompido com o estímulo ao desenvolvimento de um mercado inicial, seguro, de dimensões mínimas. Como os custos incrementais precisam ser direta ou indiretamente cobertos, para a continuidade do programa, a conscientização social sobre os benefícios das fontes renováveis é uma condição necessária. Uma clara barreira é que em um país como o Brasil, cuja população ainda busca um nível adequado de educação ambiental, as decisões tendem a ser pragmáticas, orientadas ao atendimento de objetivos de curtíssimo prazo. Segundo Carvalho (2000), vários projetos de implantação de sistemas de produção de sistemas de eletricidade a partir de formas renováveis de energia já foram realizados no Brasil, tanto por iniciativa dos governos federal e estadual, quanto por iniciativa de concessionárias de energia elétrica e ONGS

29 14 (Organizações não Governamentais). Esses projetos dizem respeito a sistemas fotovoltaicos, eólicos e PCHS; no atendimento de comunidades isoladas, por outro lado, pouco foi feito quanto a sistemas baseados em biomassa. Embora do ponto de vista do número de consumidores atendidos os resultados sejam bastante modestos, esses projetos pioneiros tiveram o mérito de permitir a identificação de barreiras e de terem viabilizado a demonstração das tecnologias. A ANEEL estabelece, na prática, preços-teto para a compra da eletricidade produzida por fontes renováveis. Essas tarifas, chamadas preços normativos, são o máximo valor que as concessionárias podem pagar por unidade de energia gerada por determinadas tecnologias, podendo repassar ao consumidor final o sobrecusto, embora exista a proposta de uma redução de 50% às tarifas de uso dos sistemas de transmissão e distribuição quando da comercialização de energia elétrica produzida por fontes renováveis. Embora sejam inegáveis os méritos dessa regulação, deve-se fazer uma ressalva quanto aos valores definidos, que são baixos inclusive para o nível tecnológico e para a escala de produção da indústria existente em vários países europeus. Outro ponto importante para o fomento das formas renováveis é a obrigatoriedade de que as concessionárias de distribuição e os agentes comercializadores comprem, por prazo não inferior a dez anos, toda energia a ser produzida por empreendimentos a partir de fontes eólicas, solar, biomassa e PCHS, até que essas fontes atendam, em um prazo de 20 anos, a 10% dos seus mercados de fornecimento (Walter, 2000). Quanto à obrigatoriedade de compra, a proposta se aproxima da política adotada na Alemanha, onde as concessionárias são obrigadas a comprar eletricidade gerada por fontes renováveis até que no conjunto essas fontes atendam a um percentual do mercado. Na Alemanha a tarifa de compra é alta (em alguns casos iguais à tarifa paga pelo consumidor final), estimulando os investimentos. Com efeito, com essa legislação houve um rápido desenvolvimento das fontes renováveis, particularmente da energia eólica, a ponto de ser a Alemanha, no momento o país com maior capacidade instalada.

30 15 Com a aprovação do Substitutivo, obrigando a compra de eletricidade gerada por formas renováveis e com a sinalização de que essas formas poderão atender em seu conjunto a 10% do mercado de energia elétrica do país, poderá estar resolvido um dos problemas ainda não equacionados no Brasil, relativo ao desenvolvimento inicial do mercado. Com a reestruturação do setor elétrico é natural que os novos agentes não tenham interesse por mercados poucos rentáveis, e por empreendimentos de maior risco, como os que envolvem a produção de eletricidade a partir das fontes renováveis de energia. Assim, as perspectivas de fomento às fontes renováveis de energia dependem fundamentalmente da regulação que venha a ser feita. Entre as barreiras mais importantes, a questão da criação de um mercado garantido, que assegure uma escala mínima de produção e o desenvolvimento contínuo das tecnologias. Finalmente, cabe a reflexão de que a inserção de tecnologias em um dado meio é mais adequada se houver um processo natural, cuja comunidade reconhece e incorpora a seu estilo de vida e/ou a suas atividades econômicas. Programas que visam a simples implantação de tecnologias em certas regiões e estão dissociados da realidade local estão fadados ao insucesso dentro de uma ótica de médio e longo prazo. Nesse sentido, os programas de implantação de fontes renováveis precisam ser organizados para que tenham muito fôlego, sejam abrangentes em sua concepção e para que tenham como metas não número de sistemas implantados, mas sim a satisfação e o bem-estar das comunidades (Bermann, 2000). Segundo Walter (2000), no meio rural, em função da natureza da atividade e da disponibilidade de recursos energéticos, uma perspectiva interessante é que o processo de eletrificação possa estar associado ao beneficiamento do produto, agregando valor e aumentando a renda das comunidades. Em muitos casos o investimento será proibitivo para um produtor individual, mas suportável e recompensador para um conjunto de agricultores, reduzindo o custo unitário inicial e melhorando a viabilidade econômica. Na mesma linha de agregação de valor ao produto e da diversificação das atividades, sempre que possível os sistemas energéticos devem ser concebidos

31 16 como unidades de cogeração, viabilizando a produção de vapor/água quente ou ainda a produção de frio (refrigeração e/ou condicionamento ambiental). Tal alternativa é factível se forem empregados sistemas térmicos baseados em máquinas a vapor (turbinas e motores a pistão) e motores de combustão interna Biodigestão Os processos bacteriológicos de fermentação da matéria são anteriores à existência do homem na Terra, visto que a quantidade de bactérias e a intensidade de sua ação no ambiente primitivo colaborou na determinação da composição da atmosfera, propiciando as condições de desenvolvimento da vida. Existem registros datados de 1776, que provam a descoberta do metano efetuada pelo químico italiano Alessandro Volta; entretanto, é de se supor que esse gás combustível já fosse reconhecido e até mesmo utilizado de alguma maneira desde antes dessa data. Volta identificou o metano, o gás dos pântanos, resultante da decomposição de restos vegetais em ambientes confinados, comprovando suas características combustíveis. Em 1806, na Inglaterra, Humphrey Davy identificou um gás rico em carbono e dióxido de carbono, resultante da decomposição de dejetos animais em lugares úmidos, e fez uma ligação da sua pesquisa com o gás dos pântanos, mencionada por Volta. Somente em 1844, Ulisse Gayo, mostra de maneira definitiva que o gás metano pode ser produzido a partir da fermentação de uma mistura de excrementos, palha de estábulo e água, e discute suas propriedades (Pinto, 1999). A biodigestão anaeróbica, processo pelo qual o metano é produzido, é uma das formas naturais de se obter esse hidrocarboneto, além das jazidas subterrâneas, onde se encontra às vezes associado ao petróleo. Nessa última forma, o gás natural constitui-se importante combustível fóssil e é bastante explorado. Em anos recentes, estudos da atmosfera mostraram que aproximadamente 0,5% da produção total anual de matéria seca, por fotossíntese, é transformada em metano, acumulando a fabulosa quantidade de 800 milhões de toneladas do gás que é descarregada anualmente em nossa biosfera, contribuindo para o chamado efeito estufa. De fato, o metano é considerado o segundo

32 17 principal responsável pelo aquecimento global do planeta, atrás, é claro, do dióxido de carbono. Na literatura consta que a primeira instalação operacional destinada a produzir gás combustível foi construída em 1857, em Bombaim, na Índia, para atender a um hospital de hansenianos. Nessa época, pesquisadores como Fisher e Schrader, na Alemanha, e Gayon, na França, estabeleceram as bases teóricas e experimentais da biodigestão anaeróbica. Em 1890, Donald Cameron projetou um tanque séptico para a cidade de Exeter, Inglaterra, e o gás foi coletado e usado na iluminação pública de rua. Na Alemanha, Karl Imhoff desenvolveu um tanque biodigestor para o tratamento anaeróbico de esgotos residenciais, o tanque Imhoff, bastante difundido na época (Nogueira, 1986). Durante a Segunda Guerra Mundial, na França e Alemanha, devido à escassez de combustível, o metano de biodigestores foi usado para mover automóveis. Em países limitados pela falta ou distribuição inadequada de energia, os biodigestores têm sido adaptados para atender as necessidades rurais. Na Índia comprovou-se que a utilização do esterco de gado para a produção de combustível não ocasiona a perda de suas características como adubo orgânico. A partir de 1939, o Instituto Indiano de Pesquisa Agrícola, em Kanpur, desenvolveu a primeira usina de gás de esterco. O sucesso da experiência levou a uma grande popularização do processo e, em 1950, formou-se o Gobar Gas Institute, cujas pesquisas conduziram a uma enorme difusão do biodigestor como forma de tratar o esterco e obter combustível sem perder o efeito fertilizante. Outra utilização intensa das possibilidades da biodigestão deu-se na China, a partir de 1958, ampliando-se em 1980, com a instalação de cinco milhões de biodigestores de uma nova concepção, o modelo chinês, todos eles localizados ao sul do Rio Amarelo, onde as condições climáticas eram mais favoráveis à produção do biogás. Atualmente, cerca de 25 milhões de chineses usam biogás, principalmente para iluminação e cocção. Aproximadamente digestores de médio e grande porte se encontram em funcionamento em fábricas de alimentos, destilarias, fazendas de gado, entre outros. O biogás produzido em grandes unidades é transferido para estações centralizadas, onde é aproveitado na geração

33 18 de potência mecânica (existem cerca de 422 estações com capacidade instalada de HP) e potência elétrica (822 estações responsáveis pela produção total de kw). Análises mostram que a taxa de retorno de investimento em biogás na China é elevada, com o período variando de um a quatro anos (Fiore, 1994). Nas décadas recentes, a digestão anaeróbica de resíduos poluentes vem despertando grande interesse e sendo utilizada, com sucesso, para vários tipos de efluentes, tanto industriais quanto domésticos, em diversas partes do mundo. Comparando com o método convencional de tratamento anaeróbico e do ponto de vista da implementação de tecnologias sustentáveis, o processo anaeróbio resolve o problema do rejeito de uma maneira mais abrangente, já que: a) ao invés de consumir, produz energia útil na forma de biogás; b) apenas uma pequena parte da DQO é convertida em nova biomassa, ou seja, o volume do excesso de lodo é significativamente menor; c) pode ser aplicado em praticamente qualquer lugar e em qualquer escala, pois altas taxas de conversão podem ser obtidas com os modernos sistemas de tratamento, requerendo relativamente pouco espaço; d) pode ser operado com baixo custo, pois os restores são relativamente simples e utilizam pouco ou nenhum aditivo de alto conteúdo energético; e pode ser combinado com métodos de pós-tratamento do efluente para a recuperação de produtos úteis, como amônia, enxofre, ou algum outro, dependendo da natureza do rejeito tratado (Verstrate, 1996) Microbiologia A digestão anaeróbica é um processo biológico que ocorre na ausência de oxigênio livre: no qual diversas populações de bactérias convertem a matéria orgânica numa mistura de metano, dióxido de carbono e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e sulfato de hidrogênio. Essa mistura é conhecida como biogás e pode ser utilizada como combustível devido às elevadas concentrações de metano, usualmente na faixa de 55% e 70%. O efluente líquido final do processo

34 19 integra a parcela da matéria orgânica não convertida em forma solúvel e estável. A digestão pode ser realizada em diferentes tipos de reatores, também chamados digestores ou biodigestores, (Nogueira, 1986). De acordo com Castro 1991, a degradação microbiológica de matéria em um ambiente anaeróbio só pode ser obtida por microorganismos capazes de utilizar outras moléculas, ao invés de oxigênio, como aceptores de hidrogênio. A reação completa pode ser simplificada como segue: Matéria orgânica microorganismos anaeróbios CH4 + CO2 + N2 + H2S Na verdade, a degradação anaeróbia da matéria orgânica é quimicamente um processo bastante complicado, envolvendo centenas de possíveis compostos e reações intermediárias, cada uma catalisada por enzimas e catalisadores específicos. As bactérias atuam simbiótica e sinergeticamente, utilizando a matéria orgânica de forma assimilativa para o crescimento da população atuante no processo. As transformações podem ser obtidas por um dos vários caminhos metabólicos alternativos, e os bioquímicos continuam tentando definir e descrever mais precisamente esses vários mecanismos (Schirm, 1991). Quando as bactérias degradam moléculas complexas como celulose, proteína, amido e gordura, que compõem a matéria orgânica, a primeira etapa consiste em quebrar as ligações entre as unidades básicas. Isso é realizado pelas enzimas liberadas externamente pelas bactérias para fazer, especificamente, esse desdobramento, transformado os polímeros orgânicos em suas sub-unidades constituintes, notadamente açúcares, aminoácidos e ácidos graxos de cadeia longa, que podem ser incorpados no interior da célula. Dessa forma, para as bactérias alimentarem-se de moléculas complexas, estas são separadas em unidades mais simples, e esta separação geralmente, conduz à produção de ácido acético, além de outros ácidos, e seus respectivos saís, aumento da temperatura, utilização de material finamente dividido e ph levemente ácido.