The Use of Biogas from Landfills of São Paulo City for Bioelectricity Generation

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1 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE The Use of Biogas from Landfills of São Paulo City for Bioelectricity Generation Mariana Carvalho Guimarães 1,2* ; Regina Franciélle Paulino 1,2 ; José Luz Silveira 1,2 ; Celso Eduardo Tuna 1,2 Abstract-- The increase of solid waste generation is a concern for modern society because its incorrect disposal can lead to risks to public health and pollution of the environment. Landfills are the most used method for Municipal Solid Waste (MSW) disposal in Brazil, and they generate by-products such as biogas that can be exploited and used to produce bioelectricity. Therefore, it is possible to avoid the use of fossil fuels by generating equivalent amount of electricity and reducing emissions of greenhouse gases (GHG). This work aimed to study the use of biogas generated in landfills located in the city of São Paulo, Brazil, as a source of renewable energy, analyzing the technical aspects and economic viability of bioelectricity generation using an Internal Combustion Engine (ICE) and a Gas Turbine (GT). This study showed that the three landfills can generate about 41 MW of bioelectricity with ICE or 39.3 MW with GT. It also proved the use of biogas from landfills to be an economically viable approach to generate bioelectricity. Index Terms-- Bioelectricity, Biofuel, Biogas, Economic Analysis, Energy Analysis, Gas Turbine, Internal Combustion Engine, Sanitary Landfill, Sustainability. A I. INTRODUÇÃO TUALMENTE, uma das maiores preocupações ambientais está relacionada aos resíduos sólidos gerados pela sociedade. Com a intensificação do processo industrial aliado ao crescimento populacional, a humanidade vem produzindo uma quantidade significativa de resíduos sólidos. No Brasil, a produção média de resíduos sólidos urbanos (RSU) foi cerca de 1,06 kg/hab/dia, equivalente a 78 milhões de toneladas de resíduos por ano [1]. O destino inadequado desses resíduos é um risco para a saúde pública e para o meio ambiente, levando à poluição do solo, do subsolo e do ar. Também promove a proliferação de vetores de doenças (moscas, mosquitos, baratas, ratos, etc.) e a contaminação das águas superficiais e subterrâneas através do chorume, comprometendo os recursos hídricos. Apesar das muitas experiências bem-sucedidas em reuso e reciclagem de RSU, essas técnicas não são suficientes para gerenciar o volume total de resíduos gerados diariamente. No 1 Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN-UNESP), Universidade Estadual Paulista (UNESP), Laboratório Associado de Guaratinguetá. 2 Laboratório de Otimização de Sistemas Energéticos (LOSE), Departamento de Energia, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Guaratinguetá, SP, Brasil s: mariana@feg.unesp.br*, repaulino@yahoo.com.br, joseluz@feg.unesp.br, celso.tuna@feg.unesp.br - *Corresponding author Brasil, a maior parte dos RSU coletados tem o aterramento como destinação final, sendo este o método mais apropriado porque é projetado, operado e monitorado para garantir a conformidade com os regulamentos federais para proteger o meio ambiente [2]. Em aterros sanitários, a porção orgânica de RSU se degrada em um ambiente predominantemente anaeróbico, resultando em subprodutos como chorume e biogás, este composto principalmente de metano (CH4, 50-60%), dióxido de carbono (40-50%) e outros gases como o nitrogênio (N2, 5%), sulfato de hidrogênio (H2S, <1%) e componentes orgânicos isentos de metano [3]. Parte do biogás gerado em aterros pode ser capturado e usado como fonte renovável de energia. De acordo com [4] 20 milhões de toneladas de RSU, quando usadas para gerar energia elétrica, podem fornecer até 50 TWh de bioeletricidade. Os três aterros da cidade de São Paulo estudados, Caieiras, CLT e CDR, juntos, captam cerca de m³/h de biogás [5] [7]. Ao usar este biogás para gerar eletricidade, o uso de combustíveis fósseis pode ser evitado gerando uma quantidade equivalente de energia elétrica, proporcionando uma redução nas emissões de gases de efeito estufa (GEE). O Poder Calorífico Inferior (PCI) do biogás de aterros sanitários é alto o suficiente para sua utilização como combustível em processos de combustão em sistemas de geração de energia [8]. Quando se trata da utilização de biogás como combustível, seu uso em Motor de Combustão Interna (MCI) é uma alternativa difundida internacionalmente [9]. A queima de biogás nos MCIs permite menor emissão de gases poluentes, aumentando a eficiência ecológica dos sistemas e contribuindo para uma produção otimizada de energia [10]. De acordo com [10], que compara o uso de gás natural, biogás e gás de síntese em três casos diferentes de cogeração com MCI, o biogás apresenta maior eficiência energética entre os três combustíveis. Turbinas a gás também devem ser consideradas nesse contexto por apresentarem alta flexibilidade em seu combustível. Em [11] comparou-se o uso de biogás, gás natural e gás de síntese em uma microturbina a gás, e a planta operando a biogás apresentou maior viabilidade tanto do ponto de vista econômico quanto do ambiental. O biogás foi considerado um combustível de grande atratividade por resultar em alta receita anual e simultaneamente contribuir para a redução do aquecimento global [11].

2 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE A proposta do presente artigo é desenvolver a análise técnica e econômica do uso de biogás gerado em aterros sanitário da cidade de São Paulo, Brasil, como fonte de energia renovável, fazendo uma comparação do uso das tecnologias MCI e TG. II. MATERIAL E MÉTODO A composição do biogás considerada nesse estudo foi de 55% de CH4 e 45% de CO2, com PCI de kj/kg [12]. Foram considerados aterros sanitários da cidade de São Paulo, conforme descrito na Tabela I. A geração total de biogás dos três aterros chega a Nm³/h, o que significa uma disponibilidade energética de aproximadamente 154 MW considerando o referido PCI. Tabela I - Aterros Sanitários considerados Aterros Sanitários Produção média de biogás [Nm³/h] Caieiras CDR CLT Fontes: [5] [7] O MCI selecionado foi o modelo CG (60 Hz) da Caterpillar, cujas características estão apresentadas na Tabela II. Esse modelo apresenta uma alta eficiência de catálogo, de 43%, valor esse que é contestado por autores que indicam que MCIs operados a biogás tem eficiência elétrica de aproximadamente 26% [13], sendo utilizado nesse trabalho o valor de 26,5% [12]. Já o modelo da Turbina a Gás selecionado foi ajustado para operação a biogás e também para as condições de temperatura, umidade e altitude da cidade de São Paulo, considerados de 18,5ºC, 70% e 792 m respectivamente. Tabela II- Características do motor de combustão interna a biogás modelo CG (60 Hz) Valor Potência elétrica [kw] 3370 Pressão efetiva média [bar] 17 Eficiência Elétrica [%] 43.1 Eficiência térmica [%] 38.6 Eficiência total [%] 81.7 Fonte: [14] Os dados nominais da Turbina a Gás Centaur 40, da Solar Turbines, podem ser encontrados na Tabela III. Tabela III - Características nominais da Turbina a Gás modelo Centaur 40. Valor Potência elétrica [kw] 3515 Relação de pressão [ - ] 9,7 Vazão mássica dos gases de exaustão [kg/s] 18,99 Temperatura dos gases de exaustão [ºC] 443,33 Eficiência Elétrica [%] 27,9 Fonte: [15] Os coeficientes de ajuste para condições locais calculados de acordo com o método apresentado em [16] e o coeficiente de ajuste para operação a biogás baseado em [17] estão apresentados na Tabela IV. O custo de geração da eletricidade anualizado foi calculado baseado no custo de investimento da tecnologia geradora de energia, custo do combustível e custo de manutenção, conforme (1), adaptada de [18]. Sendo: Cbiogas: custo do biogás [US$/kWh] Cel: custo da eletricidade gerada [US$/kWh] Cman.: Custo de manutenção do MCI (Cman,MCI) ou da TG (Cman,TG) [US$/kWh] E biogas: Energia fornecida pela queima do biogas [kw] Ep: Potência elétrica do MCI ( ) ou da TG ( ) [kw] H: Período de operação anual [h/ano] I: Investimento no MCI ( ) ou na TG ( ) [US$] O custo do biogás (Cbiogas ) foi considerado 0,004 US$/kWh [18], o custo de manutenção do MCI (Cman,MCI) 0,013 US$/kW [12], o custo de manutenção da TG (Cman,TG) 0,012 US$/kWh [11] e considerou-se um regime de operação (H) de 7000 h/ano. A energia fornecida pelo biogás pode ser calculada por (2). (2) Sendo a eficiência elétrica da tecnologia de geração de energia, MCI ou TG. O investimento no MCI ( ) pode ser determinado através de (3) [12] e o investimento na TG ( ) por (4) [11]. O fator de correção referente ao custo de transporte e engenharia civil ( ) pode ser considerado 1,3 e o custo referente às taxas de importação para o Brasil ( ) 1,4 [11]. O valor da TG Centaur 40 ( ) foi considerado US$ ,00 [19]. O fator de anuidade (f) que leva em consideração a taxa de juros anual (r) e o período de amortização (k) pode ser calculado através de (5) e (6) [20]. Nessa análise consideraram-se juros de 4, 8 e 12%. (4) (1) (3)

3 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE Tabela IV - Fatores de correção para a turbina a gás e valores ajustados Parâmetro Valor ISO Fatores de correção Valor ajustado T ambiente Altitude Umidade Biogas relativa Potencia elétrica [kw] ,992 0,902 1,001 0, ,69 Fluxo de exaustão [kg/s] 18,99 0,959 0, ,43 Eficiência elétrica [%] 27,9% 0, ,999 0,923 25,5% Fonte: autoria própria. (5) Sendo: f: fator de anuidade [1/ano] k: período de amortização [anos] r: taxa de juros anual [%] De maneira a determinar a receita anual esperada ao vender a eletricidade produzida, considerando a instalação de um MCI ou uma TG, adaptou-se (7) de [12]. A tarifa de eletricidade (Pel) foi considerada 320 R$/MWh [21] ou 0,10 US$/kWh com uma conversão de RS$ 3,15/US$, e o valor de 200 kw foi utilizado como a energia elétrica requerida pelo aterro sanitário ( ) [22]. A tarifa de eletricidade excedente ( ) foi variada de 0,04 a 0,08 US$/kWh, com base no preço de 251 R$/MWh [23] para a venda de bioeletricidade a partir de biogás (0,08 US$/kWh com taxa de conversão de R$3,15/US$). (6) (7) Essa diferença, apesar de pequena, é explicada devido à menor eficiência de geração de eletricidade associada ao sistema utilizando TG, em comparação ao sistema com MCI. A análise econômica aplicada à instalação de um MCI mostra-se vantajosa em ralação à TG. Os custos de produção de bioeletricidade (Erro! Fonte de referência não encontrada.) são mais elevados quando da utilização sistema com turbina a gás em comparação ao uso de MCI. A diferença do custo da eletricidade produzida entre as duas tecnologias é maior nos primeiros anos do investimento cerca de 20% - chegando a menos de 10% com 12 anos de operação, como pode ser observado na Fig. 1. A receita anual, calculada por (7), é ilustrada nas Figuras 2, 3 e 4, considerando taxas de juros de 4, 8 e 12%, respectivamente. Quando considerada a venda de excedente a 0,08 US$/kWh, valor praticado no Brasil [23], ambas as tecnologias de geração de eletricidade são viáveis, apresentando período de amortização de capital investido, para a aplicação com biogás, de 2 a 4 anos. No cenário que considera a venda de excedente a 0,04 US$/kWh, qualquer que seja a taxa de juros aplicada, não há viabilidade para instalação de nenhuma das tecnologias. Para uma taxa anual de juros de 4 %, o sistema com MCI apresenta um payback de 8 anos e com TG um de 11 anos. Para taxa anual de juros de 12%, ambas as tecnologias apresentam períodos de amortização de capital maiores do que 12 anos e são consideradas inviáveis economicamente. III. DISCUSSÃO DE RESULTADOS A instalação de MCIs nos aterros da cidade de São Paulo tem potencial de gerar aproximadamente 41 MW de bioeletricidade, valor equiparado ao potencial de geração com de TGs, 39 MW, conforme ilustrado na Tabela V. Tabela V- Análise técnica comparando MCI e TG Caieiras CDR CLT total Produção de biogás (m³/h) MCI TG Quantidade [un] potencial de geração de bioeletricidade [kw] 15450, , , ,49 Quantidade [un] potencial de geração de bioeletricidade [kw] 14778, , , ,39 Fonte: autoria própria

4 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE Fig.1 - Custo da bioeletricidade gerada. Fonte: Autoria própria. Figura 2- Receita anual com juros de 8%. Fonte: autoria própria. Figura 1 - Receita anual com juros de 4%. Fonte: autoria própria Figura 3 - Receita anual com juros de 12%. Fonte: autoria própria.

5 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE IV. CONCLUSÕES O uso de biogás em aterros sanitários para a geração de bioeletricidade tem sido uma alternativa técnica, econômica e ambientalmente viável, uma vez que se utiliza de fonte renovável de energia. Os três aterros sanitários da cidade de São Paulo considerados neste trabalho têm potencial de gerar cerca de 41 MW de bioeletricidade com a instalação de MCIs e 39 MW com a instalação de Turbinas a Gás. Em relação aos aspectos econômicos, a geração de bioeletricidade a partir de aterros com a instalação de MCI apresenta um custo de produção entre 0,04 US$/kWh e 0,09 US $/kwh. A máxima receita anual com a instalação de sistema utilizando MCI é de ,00 US$/ano. Já a bioeletricidade produzida através de sistema com TG apresenta custos de produção entre 0,04 e 0,11 US$/kWh, e receita anual máxima de ,00 US$/ano. Novos sistemas considerando o uso de Turbinas a Gás e MCIs com maior potência elétrica tem sido analisados, com intenção de permitir melhores receitas anuais esperadas. Além disso, estudos de impacto ambiental da exploração de biogás de aterro sanitário estão sendo desenvolvidos para que a redução da emissão de GEE possa ser determinada. V. REFERÊNCIAS [1] ABRELPE, Panorama Dos Resíduos Sólidos No Brasil 2015, [Online]. Available at: df. [Acessado: 30-mar-2017]. [2] R. M. Barros, G. L. T. Filho, e T. R. da Silva, The electric energy potential of landfill biogas in Brazil, Energy Policy, vol. 65, n o February, p , [3] A. Hilkiah Igoni, M. J. Ayotamuno, C. L. Eze, S. O. T. Ogaji, e S. D. Probert, Designs of anaerobic digesters for producing biogas from municipal solid-waste, Appl. Energy, vol. 85, n o 6, p , [4] L. B.. b Oliveira e L. P.. b Rosa, Brazilian waste potential: Energy, environmental, social and economic benefits, Energy Policy, vol. 31, n o 14, p , [5] CDR, Secretaria Municipal de Serviços - Departamento de Limpeza Urbana. Gestão de Resíduos Sólidos, São Paulo, [6] ECOURBIS, Aterro Sanitário, [Online]. Available at: nt=aterro-sanitario. [Acessado: 15-fev-2017]. [7] Termoverde, Apresentação do Projeto Termoverde Caieiras S.A., [Online]. Available at: do Projeto - Termoverde Caieiras SA.pdf. [Acessado: 15- fev-2017]. [8] D. R. Schneider, M. Kirac, e A. Hublin, Costeffectiveness of GHG emission reduction measures and energy recovery from municipal waste in Croatia, Energy, vol. 48, n o 1, p , [9] E. Carnevale e L. Lombardi, Comparison of Different Possibilities for Biogas Use by Life Cycle Assessment, Energy Procedia, vol. 81, p , dez [10] B. H. Xavier, Thermodynamic, Ecologic and Economic Aspects of Cogeneration Systems with ICE operating with Natural Gas, Biogas and Syngas, Sao Paulo State University, [11] B. Kunte, Thermodynamic, Economic and Emissions Analysis of a Micro Gas Turbine Cogeneration System Operating on Biofuels, São Paulo State University, [12] R. F. Paulino, Uso do biogás para produção de hidrogênio: eletrólise versus reforma a vapor, São Paulo State University, [13] S. C. A. de Almeida e P. V. do V. Pereira, Eficiência De Um Motor De Combustão Interna Operando Com Biogás, in Vi Congresso Nacional De Engenharia Mecânica, 2010, p. 6. [14] CATERPILLAR, CAT CG260 Series Gas Generator Sets [15] SOLAR TURBINES, CENTAUR 40 Gas Turbine Generator Set [16] J. S. Antunes, Código cmputacional para análise de sistemas de cogeração com turbina a gás, Universidade Estadual de São Paulo, [17] D. W. Kang, T. S. Kim, K. B. Hur, e J. K. Park, The effect of firing biogas on the performance and operating characteristics of simple and recuperative cycle gas turbine combined heat and power systems, Appl. Energy, vol. 93, p , [18] F. Brizi, J. L. Silveira, U. Desideri, J. A. Dos Reis, C. E. Tuna, e W. D. Q. Lamas, Energetic and economic analysis of a Brazilian compact cogeneration system: Comparison between natural gas and biogas, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 38, n o January, p , [19] GasTurbine World Handbook. Pequot Publishing, Inc, [20] J. L. Silveira, W. D. Q. Lamas, C. E. Tuna, I. A. D. C. Villela, e L. S. Miro, Ecological efficiency and thermoeconomic analysis of a cogeneration system at a hospital, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 16, n o 5, p , [21] AES Eletropaulo, Tarifa de Energia Elétrica, [Online]. Available at: [Acessado: 10-fev-2017]. [22] N. J. V. de Figueiredo, Utilização de biogás de aterro sanitário para geração de energia elétrica-estudo de caso. Universidade de São Paulo, São Paulo, [23] ANEEL, Resultados dos Leilões de Geração, [Online]. Available at: [Acessado: 13-fev-2017].

6 THE XII LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE VI. BIOGRAFIAS Mariana Carvalho Guimarães se formou em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em Atualmente é mestranda do programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica, na área de Energia, da Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. Área de atuação: Meio Ambiente / Microbiologia / Manejo e conservação do solo / hidrologia / modelagem hidrológica / bioenergia. Energia. Atualmente é Professor Assistente Doutor (desde julho de 2009) da Universidade Estadual Paulista - Júlio de Mesquita Filho (UNESP) Campus de Guaratinguetá - Faculdade de Engenharia, Departamento de Energia (Professor Substituto de 2005 a 2009). Foi Coordenador do curso de Licenciatura em Matemática (2003 até 2009) e Professor do Centro Universitário Salesiano de São Paulo (UNISAL) Campus de Lorena (2000 até 2009). Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Aproveitamento da Energia, atuando principalmente nos seguintes temas: auditoria energética, cogeração, termoeconomia, exergia, termodinâmica, conservação de energia. Regina Franciélle Silva Paulino é Doutoranda do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Estadual Paulista - Campus de Guaratinguetá, na Área de Energia. Mestre em Engenharia Mecânica na Universidade Estadual Paulista - Campus Guaratinguetá (2017) e graduada em Engenharia Mecânica pela mesma instituição (2014). Membro do Grupo de Otimização de Sistemas Energéticos (GOSE -UNESP) desde Atua na área de pesquisa de recursos energéticos renováveis, biocombustíveis, biogás, reforma a vapor do etanol, produção de hidrogênio e gaseificação José Luz Silveira é graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (1986), graduação em Matemática pela Fundação de Ensino e Pesquisa de Itajubá Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras (1985), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (1990) e doutorado em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia Mecânica - UNICAMP (1994). Atualmente é Professor Titular da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Termodinâmica e Transferência de Calor, atuando principalmente nos seguintes temas: Cogeração, Análise Econômica, Célula de Combustível, Análise Termodinâmica, Análise Técnica e Biocombustíveis. Atualmente, é coordenador do Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN - UNESP) e coordenador do Laboratório de Otimização de Sistemas Energéticos (LOSE - FEG - UNESP). Celso Eduardo Tuna possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1989), mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1995) e doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1999) na área de Transmissão e Conversão de