Fórum Mineiro de PCS: O Biogás na agroindústria - Potencial, aspectos técnicos e iniciativas no Brasil

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1 Fórum Mineiro de PCS: O Biogás na agroindústria - Potencial, aspectos técnicos e iniciativas no Brasil Fontes de biogás, suas características, vantagens ambientais e tecnologias para seu aproveitamento Universidade FUMEC - Engenharia Bioenergética Prof. Fernando Sbampato Me. 1

2 Aquecimento Global: um desafio para todos

3 Aquecimento Global: um desafio para todos

4 Fontes Naturais de Biogás Pântanos, brejos: Oceanos, lagos: Digestão de animais ruminantes: Campos de arroz: Fontes: Dane Jorgensen, Planeta Sustentável, Tripadvisor, Envolve Verde

5 Lixões e aterros sanitários: Fontes Antropogênicas de Biogás Perdas na extração e transporte do gás natural, carvão mineral e em alguns processos de tratamento de biogás: Fontes: RCP, Pref. Mun. Lavras, Igás, Rabello

6 Tratamento de esgoto: Fontes Antropogênicas de Biogás Dejetos rurais, resíduos de abate, recursos renováveis, resíduos de colheita: Fontes: COPASA MG, Sbampato

7 Fontes de Biogás

8 Gás incolor. Altamente combustível. Queima com um mínimo de poluição. Características do Biogás É o produto final da fermentação biológica anaeróbica de substratos fermentáveis realizada por bactérias em condições adequadas de umidade, ph e temperatura. Tem origem nos efluentes agropecuários, da agroindústria, urbanos (lodo das estações de tratamento de efluentes domésticos) e ainda nos aterros de RSU (Resíduos Sólidos Urbanos) e resulta da degradação biológica anaeróbica da matéria orgânica contida nos resíduos.

9 Características do Biogás O biogás é tanto mais puro quanto maior é o seu teor em metano. O gás sulfídrico ou sulfeto de hidrogênio (H 2 S) é responsável pela corrosão dos componentes do sistema: Em concentrações baixas tem um odor de ovos podres (odor pútrido). A partir de 250 ppm os receptores olfativos são insensíveis. Aproximadamente 1000 ppm, letal em poucos minutos; Aproximadamente 5000 ppm, letal em poucos segundos; Fonte: Institut für Biogas (2014)

10 Fonte: Institut für Biogas (2014) Substratos fermentáveis

11 Fonte: Deganutti et al (2002) Equivalente Energético

12 Fonte: Institut für Biogas Benefícios do biogás

13 Benefícios do biogás Produção de energia Produção de energia elétrica através de grupo motor gerador e microturbina. A energia elétrica gerada pode ser utilizada no próprio local ou conectada à rede comercial. Produção de energia térmica (calor de processo e vapor). Utilização como combustível: Queima direta do biogás para alimentação de campânulas (granjas - aquecimento de pintinhos), para alimentação de lampiões (iluminação rural) e em fogões residenciais e industriais. Geração e utilização do biogás podem ser descentralizadas. Biometano: O biogás gerado pode ser conectadas à rede de gás, após purificação. Economia de energia elétrica.

14 Benefícios do biogás Energia renovável Tem origem nos efluentes agropecuários, da agroindústria, domésticos (esgoto) e dos Resíduos Sólidos Urbanos-RSU em aterros. Qualidade de vida do homem do campo Substituição da lenha no cozimento de alimentos evitando graves doenças pulmonares. Substituição de fertilizantes químicos que poluem o meio ambiente e podem contaminar os alimentos e os seres humanos. Controle da poluição nas águas Redução da DBO em 80% e DQO em 60% do efluente.

15 Benefícios do biogás Controle dos odores O efluente de um biodigestor tem um odor ameno, totalmente inofensivo. A minimização de odores é uma grande vantagem da biodigestão anaeróbica. Meio Ambiente O uso de biogás em substituição da lenha, diminui o desmatamento; reduz as emissões de gases de efeito estufa. Tem uma influência positiva sobre as mudanças climáticas e o meio ambiente. Redução do lixo doméstico Transformação do lixo orgânico doméstico (sobras de arroz, feijão, verduras e legumes, etc) em biogás. Minimização dos resíduos e melhoria da higiene (eliminação de insetos e pragas)

16 Benefícios do biogás Economia Substituição de combustíveis fósseis: Redução de despesas com gás GLP - Gás Liquefeito de Petróleo, lenha, carvão e querosene. Substituição de fertilizantes químicos por biofertilizantes. Podem ser comercializadas as licenças de crédito de carbono por evitar emissão de CO 2 para atmosfera. Economia de energia elétrica. Aproveitamento da energia térmica. Economia de recursos financeiros e melhoria do meio ambiente.

17 Benefícios do biogás Remoção ou eliminação dos agentes patogênicos da matéria orgânica Biofertilizante livre de microrganismos patogênicos causadores de doenças nas plantas e em seres humanos. Não atrai moscas nas plantações adubadas com o biofertilizante. A razão mais significativa para a redução dos seres patogênicos é o fato de que o resíduo é mantido sem oxigênio por bastante tempo, entre 30 e 40 dias.

18 Benefícios do biogás Biofertilizante Fertilizante natural com características bem adequadas para ser aplicado diretamente nas lavouras como cafezais, canaviais, cultivo de feijão, etc. Adubo de primeira ordem, de fundamental importância para a recuperação do solo, conservando sua fertilidade e o equilíbrio ecológico. Rico em nutrientes, como: Nitrogênio (30 a 60%- crescimento das plantas), Fosfato (50%- qualidade dos frutos ) e, Potássio (75 a 100%- maturação das sementes e desenvolvimento das raízes). Rico em humos. Tem granulação mais fina, facilitando sua mistura e adequação ao solo.

19 Benefícios do biogás Biofertilizante Pode ser usado com sucesso na alimentação de peixes e, após secagem, como complemento alimentar em rações para alguns animais. Pode ser facilmente bombeado, existindo no mercado, vários equipamentos a serem acoplados nos tratores, bem como, sistema de irrigação. As sementes de ervas daninhas são decompostas ao atravessar o biodigestor. A quantidade de biofertilizante aplicada por hectare pode variar, dependendo das condições, de 20 m³ a 60 m³.

20 Estado da arte Fonte: CIBIOGAS (2015) Fonte: ITAIPU (2015) Fonte: Terra (2012) Fonte: COPASA MG (2015) MG (2015) Fonte: ITAIPU (2015) Fonte: ASJA (2015) Fonte: Sbampato (2015) Fonte: ASJA (2015) Fonte: ASJA (2015) Fonte: CPT (2015)

21 Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Limpeza do biogás e injeção Usina de Biogás Energia Elétrica Caldeira Energia Térmica Tratamento Lixiviado Queima direta Iluminação Uso Veicular Microturbina Iluminação Calor Calor Vapor Cozimento Gasoduto Turbina a vapor Aquecimento Processos Industriais Processos Industriais Fonte: Sbampato (2015)

22 Tecnologias para aproveitamento do biogás Biodigestores Rurais Brasil Flare Batelada Indiano Chinês Fonte: CPT (2015) FONTE: UTFPR (2008) FONTE: UTFPR (2008) Uso Veicular Sem aquecimento (não há temperatura constante durante o processo); sem agitação (sem mistura, sem homogeneização); Gasoduto Turbina a vapor não há supervisão e controle automático do sistema; tratamento anaeróbico já nos anos 80, mas com tecnologia simples, sem aproveitamento elétrico do biogás. Utilizado para queima direta.

23 Tecnologias para aproveitamento do biogás Biodigestores Rurais Brasil Vinil Flare Potencial: Cerca de 1,3 milhão de m³ metano por ano; 3,9 TWh através de dejetos de 35 milhões de suínos (adicionalmente frangos, bovinos etc); Uso Veicular Fonte: Sbampato (2014) Aumento das regulações ambientais de tratamento de dejetos (proteção Gasoduto dos recursos hídricos). Pressão para agir, Turbina a vapor

24 injeção de energia elétrica na rede comercial, Compra da energia => 0,22 por kw. Tecnologias para aproveitamento do biogás Biodigestores Rurais Alemanha Flare Fonte: Sbampato (2014) Pode ser utilizada a combinação de substratos diferentes; alimentação e processamento automático do substrato; Gasoduto mistura e homogeneização Turbina completa a vapor do substrato; limpeza do biogás (retirada da umidade, gás sulfídrico, remoção de CO 2 );

25 Tecnologias para aproveitamento do biogás Biodigestores Rurais Alemanha Flare Monitoramento dos níveis do substrato e biogás. Monitoramento das Uso Veicular pressões e das temperaturas nos fermentadores, substratos, tubulações de Gasoduto biogás. Fonte: Sbampato (2014) Turbina a vapor Supervisão das unidades do sistema, bombas, válvulas, dispositivos de medição e agitadores.

26 Tecnologias para aproveitamento do biogás Biodigestores Rurais Alemanha Flare geração de energia térmica (calor de processo); Supervisão das unidades CHP. Uso Veicular Gasoduto Fonte: Sbampato (2014) Turbina a vapor Como gás combustível, injeção na rede de gás após purificação.

27 ETE Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Fonte: COPASA MG Produção de biogás através do lodo gerado no tratamento do esgoto; a fermentação é realizada em digestores e o biogás armazenado em Gasoduto gasômetros; Uso Veicular realizada a purificação do biogás através da filtragem da umidade, do H 2 S e Turbina a vapor dos particulados; geração de energia elétrica através de grupo motor gerador / micro turbinas.

28 ETE Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Fonte: COPASA MG Gasoduto Uso Veicular Aproveitamento térmico dos gases de escape através de trocadores de calor; recirculação do lodo quente no digestor; aumento da temperatura do digestor; Turbina a vapor aumento da produção do biogás; redução de despesa com energia.

29 ETE Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Fonte: COPASA MG Dados estáticos (IBGE, 2010): Uso Veicular apenas 55,2% dos municípios brasileiros tem serviço de coleta de esgoto, Gasoduto atendendo somente 57,7 milhões de domicílios no Brasil; somente 48% da população destes municípios tem acesso a tratamento de Turbina a vapor esgoto por rede geral; usualmente os esgotos são constituídos de 99,9% de água e 0,1% de carga poluidora.

30 geração de energia elétrica para o próprio consumo ou injeção na rede comercial. Aterro sanitário Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Fonte: SLU/UFMG (2006), Sbampato (2013), CEMBIO (2007) Turbina a vapor Gasoduto Uso Veicular Exploração do biogás produzido pela matéria orgânica do lixo doméstico depositado no aterro sanitário; o biogás é extraído do aterro por tubos verticais e conduzido por sopradores para a usina de purificação e para a retirada da umidade; o biogás é injetado com pressão suficiente na alimentação do grupo motorgerador ou turbinas;

31 Aterro sanitário Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Fonte: ASJA Potencial: Uso Veicular 61 milhões de toneladas de resíduos domésticos com cerca de 2/3 matéria Gasoduto orgânica em 2011; muitos lixões e aterros ilegais; Turbina a vapor PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos: grande pressão para agir nos municípios

32 Flare Tecnologias para aproveitamento do biogás Utilizado principalmente em projetos destinados à obtenção de créditos de carbono. Fonte: Sbampato (2014) Na falha do sistema de geração de energia ou durante manutenção do mesmo, o biogás é queimado automaticamente no flare, evitando emissão de metano para a atmosfera. Iluminação Gasoduto Uso Veicular Turbina a vapor Processos Industriais

33 Grupo Motor gerador Tecnologias para aproveitamento do biogás Rendimento em torno de 40% Motores importados de grande porte Altos valores de emissão NO X (250 à 3000 ppm) Fonte: Sbampato (2014) Uso Veicular Microturbinas Fonte: Sbampato (2014) Iluminação Rendimento entre 25% ~ 30% Gasoduto Baixo nível de ruído e vibrações; Dimensões reduzidas e simplicidade de instalação; Baixa emissão de NO Turbina a vapor X (30 ~ 100 kw < 9 ppm) Baixo custo de O & M. Processos Industriais

34 Tecnologias para aproveitamento do biogás Comparação das tecnologias de conversão Iluminação Uso Veicular Gasoduto Turbina a vapor Processos Industriais

35 Tecnologias para aproveitamento do biogás Caldeira Flare O biogás é utilizado como combustível para produção de calor que é transportado e utilizado em: Fonte: IGAS (2015) aquecimento comercial (restaurantes, hotéis, piscinas térmicas); processos industriais e secagem de grãos na produção rural. Microturbina Baixo rendimento térmico ~30% Calor Aquecimento

36 Tratamento do lixiviado Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare O biogás é utilizado como combustível na evaporação do chorume, reduzindo os custos do tratamento; Fonte: ONYS (2014) a fração líquida é evaporada, concentrando o teor de sólidos do chorume; Microturbina permite uma redução de até 70% do volume de lixiviado; Calor o vapor quente pode ser utilizado na geração de energia térmica de processo, como aquecimento ou refrigeração. Aquecimento

37 Tratamento do lixiviado Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare O lodo tratado pode retornar para o aterro; Fonte: ONYS (2014) Cada módulo tem a capacidade de eliminação de 0,50m³/h e consumo de biogás de 100 m³/h. Microturbina Calor Aquecimento

38 Iluminação Tecnologias para aproveitamento do biogás Flare Queima direta; Alto custo de investimento; Consumo de 50 m³ de biogás/h. Fonte: CEMBIO (2007)) Cozimento Queima direta; Microturbina Consumo de 0,42 m³ de biogás/ por pessoa/ por dia. Geladeiraa Queima direta; Consumo de 2,1 m³ de biogás por dia.

39 Tecnologias para aproveitamento do biogás Uso veicular e injeção no gasoduto Flare O biogás é tanto mais puro quanto maior é o seu teor em metano. Fonte: Itaipu (2015)) Aquecimento Calor Microturbina Há necessidade de purificação para utilização em veículos e injeção em gasodutos, (Resolução ANP nº 8, de ). Parque Tecnológico Itaipu: Bio refinaria (Cibiogás): purificação do biogás equivalente ao dos níveis do gás natural (Fóssil). Bio metano: Combustível verde- purificado.

40 Tecnologias para aproveitamento do biogás Uso veicular e injeção no gasoduto Flare Resolução ANP nº 8, de Microturbina Calor Aquecimento Fonte: ANP (2015)

41 Tecnologias para aproveitamento do biogás Uso veicular e injeção no gasoduto Flare Especificação técnica Alemã. Microturbina Calor Aquecimento Fonte: Institut für Biogas

42 Software simulador de potencial de biogás em Aterro sanitário Flare Uso Veicular Gasoduto Turbina a vapor Fonte: CETESB (2009)

43 Software simulador de potencial de biogás em Aterro sanitário Flare Uso Veicular Gasoduto Turbina a vapor Fonte: CETESB (2009)

44 Software simulador de potencial de biogás para efluentes Flare Uso Veicular Gasoduto Turbina a vapor Fonte: CETESB (2009)

45 Obrigado! 45

46 Fernando Cesar Sotero Sbampato Tel: (31) Engenheiro Eletricista, enfase em Eletrônica e Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações, INATEL, de Santa Rita do Sapucaí, MG. 1984; - Especialista em Formas Alternativas de Energia pela Universidade Federal de Lavras, UFLA, MG, 2008; - Mestre em Engenharia de Energia em associação ampla entre a Universidade Federal de São João del Rei, UFSJ, MG e CEFET-MG, 2014; Professor Assistente Universidade FUMEC. Cursos de Engenharia de Telecomunicações, Engenharia Bioenergética, Engenharia Ambiental e Engenharia Elétrica,

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