GRUPO II GRUPO DE ESTUDO DE PRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS GPT

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1 SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPT a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais GRUPO II GRUPO DE ESTUDO DE PRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS GPT GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NA SABESP, COM COGERAÇÃO, UTILIZANDO O BIOGÁS PRODUZIDO NO TRATAMENTO DE ESGOTO DA ETE BARUERI Antonio Carlos Bacic Kravosac Celso Haguiuda Luiz Carlos Helou Moacir Francisco de Souza Sebastião de Paula Coura* SABESP Giuseppe Giovanni Pagano CONSULTOR RESUMO A Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo Sabesp está instalando uma pequena central térmica PCT Barueri para a geração de energia elétrica, com cogeração, utilizando o biogás produzido no tratamento de esgoto. Este trabalho visa apresentar o projeto deste empreendimento, com capacidade inicial de 3,0 MW, com a energia elétrica e o aproveitamento do calor a serem utilizados na própria Companhia. PALAVRAS-CHAVE Fonte alternativa de energia. Energia elétrica produzida através de biogás de esgoto. PCT Barueri da Sabesp. Geração e cogeração utilizando biogás INTRODUÇÃO A Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo Sabesp atende a 366 municípios paulistas, com população de 24,5 milhões de pessoas e uma produção de 85 m 3 /s de água tratada. A Vice-Presidência Metropolitana de Produção atende a região metropolitana de São Paulo e é responsável pelo tratamento de água para o abastecimento e tratamento e disposição final do esgoto. O tratamento de água é realizado por seis sistemas produtores: Cantareira, Guarapiranga, Alto Tietê, Rio Claro, Rio Grande e Cotia. O tratamento de esgoto é realizado em cinco estações: ABC, Barueri, Parque Novo Mundo, São Miguel e Suzano. A Superintendência de Manutenção Guarapiranga, responsável pela manutenção centralizada da região metropolitana de São Paulo e autoridade funcional em manutenção e energia elétrica da Sabesp está desenvolvendo o programa de implantação de fontes alternativas de energia elétrica, que prevê a autoprodução de energia elétrica, utilizando potenciais energéticos próprios, com a meta de produzir 10% do montante consumido pela Sabesp. Está prevista a produção de energia elétrica através de PCH no Sistema Cantareira (7,4 MW), cogeração com gás natural (15 MW) e aproveitamento do biogás com a utilização de microturbina (30 kw) e cogeração através de motores ciclo Otto (3 MW). A microturbina foi implantada na ETE Barueri, em Dezembro/2002, como parte do escopo do convênio firmado com a USP/IEE/Cenbio, para desenvolvimento da aplicação em estações de tratamento de esgoto de pequeno porte, fazendo parte do trabalho a análise dos dados do sistema de tratamento do biogás e desempenho da microturbina e equipamentos auxiliares DADOS DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO BARUERI A estação de tratamento localiza-se no município de Barueri, na margem esquerda do Rio Tietê. No projeto original a ETE foi prevista para tratar 63 m 3 /s no ano 2000 através da utilização do processo de lodo ativado convencional. O plano diretor de esgoto da região metropolitana foi revisto para ser implementado em duas etapas: a primeira tratando 9,5 m 3 /s e a Segunda, * Rua José Rafaelli, CEP São Paulo - SP - BRASIL Tel.: (011) Fax: (011) scoura@sabesp.com.br

2 2 até o ano 2005 com capacidade final de 28,5 m 3 /s. Atualmente a vazão média é de 7,0 m 3 /s. O processo de tratamento de esgoto representado na Figura 1 é constituído por duas fases: líquida e sólida. As unidades da fase líquida são: poço distribuidor e elevatória final, onde chega o esgoto para tratamento e é bombeado para as grades médias mecanizadas, que removem os sólidos grosseiros; na caixas de areia os os grãos são sedimentados devido às suas maiores dimensões e densidades e a matéria orgânica, de sedimentação mais lenta, permanece em suspensão para continuar o tratamento nas demais etapas; nos decantadores primários, os sólidos em suspensão sedimentam gradualmente no fundo; nos tanques de aeração a matéria orgânica é removida por reações bioquímicas por microorganismos aeróbios e nos decantadores secundários é realizada a separação dos sólidos em suspensão, por sedimentação, permitindo a saída do efluente clarificado. O efluente final da estação é lançado no Rio Tietê em trecho classificado pela legislação como corpo receptor de Classe 4. A fase sólida, que compreende o tratamento do lodo, é composta por: adensadores por gravidade e adensadores por flotação onde se aumenta o teor de sólidos do lodo, reduzindo seu volume; nos digestores é realizada a destruição ou redução dos microorganismos patogênicos, estabilização da matéria orgânica, redução do volume e onde é produzido o biogás, composto basicamente por metano e gás carbônico; o condicionamento químico resulta na coagulação de sólidos e liberação da água absorvida; na desidratação mecânica o teor de sólido varia de 30% a 40% e disposição final do lodo. Os sistemas de apoio compreendem: edifício dos compressores, gasômetro e queimadores, edifício das caldeiras, sistema de água de utilidades com reuso de parte do efluente final. O sistema elétrico é composto por uma subestação 88/138 kv, com demanda contratada de 10 MW e a distribuição interna é realizada em 23 kv, tensão na qual será conectada a PCT. 3.0 BENEFÍCIOS AMBIENTAIS E FINANCEIROS A ETE Barueri trata uma vazão média de 7,0 m 3 /s de esgoto e produz Nm 3 /dia de biogás, que é acumulado no gasômetro, sendo uma parte utilizada para queima em caldeira para aquecimento dos biodigestores e outra parte queimada em flares. Conforme medição do biogás da ETE Barueri, tem-se a seguinte composição: 62,5% de metano, 31,0% de gás carbônico e 6,5% de oxigênio e nitrogênio, possuindo, ainda, compostos de enxofre. Possui um poder calorífico superior de kcal/m 3. Este gás de esgoto será utilizado para a produção de 2,6 MW e o calor da água de arrefecimento das camisas dos motores e dos gases de escape será utilizado para o aquecimento dos biodigestores, permitindo otimizar a temperatura de operação dos mesmos, aumentando a eficiência do processo de digestão anaeróbia e incrementando a produção de biogás. Trata-se de um empreendimento ambientalmente positivo pois contribuirá para a redução da emissão de gases responsáveis pelo efeito estufa, produzirá energia elétrica, reduzindo a despesa com este insumo e aumentará a eficiência do tratamento de esgoto. 4.0 DESCRIÇÃO DA PCT 4.1 Definição dos equipamentos Com base na composição do biogás, poder calorífico e na produção diária, determinou-se um potencial de geração de 2,6 MW. A PCT será composta de uma edificação para abrigo dos geradores, sala de comando e painéis e salas dos transformadores principais. Outra edificação será destinada para os transformadores de serviços auxiliares. Haverá um abrigo destinado ao sistema de tratamento do biogás e as torres de resfriamento serão instaladas ao tempo. A configuração está indicada nas Figuras 2, 3 e Tratamento do biogás Para a alimentação dos motores é necessário que o biogás seja tratado, cujo sistema compreende: filtro de carvão ativado, trocador de calor biogás/água quente, trocador de calor biogás/água gelada, soprador e condensador. Nesta etapa é realizada a desumidificação, filtragem de compostos de enxofre, halogênios e silaxânas, e adequação da pressão do biogás à pressão de trabalho dos motores Motores e sistemas auxiliares FIgura 1 fluxograma do processo de tratamento de esgoto O motor acionará diretamento o eixo do alternador e possuirá sistema de filtro para emissão de gases, contendo NOx, SOx e COx; o sistema de arrefecimento possuirá trocador de calor água-água, de forma a aproveitar o calor das camisas dos motores para o aquecimento dos biodigestores, assim como trocador de calor ar-água dos gases de escape. Os sistemas de aspiração e exaustão do ar de refrigeração possuirão atenuadores de ruído, assim como silencioso para o escape da combustão.

3 3 O consumo específico de biogás pelos motores foi calculado em 0,35 Nm 3 /kwh Geradores O alternador será síncrono trifásico, brushless, gerando na tensão de 460 V. A tensão será elevada, através de transformadores, para 23 kv, que é a de distribuição interna da ETE Sistema elétrico Será composto por painéis de acionamento e proteção de cada gerador, painéis de transferência de carga rede-gerador para operação continuamente paralela com a concessionária e painéis de comando Sistema de supervisão e controle A PCT possuirá uma sala de operação local, porém será operada regularmente pela sala de operação da ETE, distante desta edificação. Possuirá lógica digital, com a utilização de CLPs e software de supervisão, como monitoramento via Web. 4.2 Edificações A edificação principal está dimensionada para a instalação de quatro grupos geradores e uma base reserva e será construída de forma a possibilitar a ampliação no número de geradores. A dimensão inicial é de 22 x 25 m e pé-direito de 8,5 m. Haverá outra edificação para os transformadores de serviços auxiliares de 4,3 x 9 m. Os equipamentos de tratamento do biogás serão instalados sob cobertura de fibrocimento e as torres de arrefecimento serão instalados ao tempo. A área a ser ocupada pela PCT será de aproximadamente 50 x 80 m, dentro do terreno da ETE. Critérios de avaliação: - Comparação do custo de produção do kwh alternativo versus custo atual pago à concessionária; - TIR: taxa interna de retorno; - VPL: valor presente líquido do fluxo de caixa; - Pay back: período de recuperação do capital, em anos Custos x Benefícios - Investimento: US$ 2,780, Vida útil: 25 anos - Gastos com manutenção: US$ 257,000.00/ano - Capacidade nominal: 3 MW - Custo da energia economizada: US$ 1,100,000.00/ano 5.2 Resultados, excluídos os contratos de acesso - Consumo atual: MWh/mês - Custo atual da energia: R$ 131,51/MWh - Custo alternativo da energia: R$ 90,15/MWh - Economia por MWh: R$ 41,36/MWh - TIR: 22,11% - VPL: US$ 1,758, REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Coura, S.P., Kravosac, A.C.B., Haguiuda, C., Helou, L.C., Souza, M.F., Pagano, G.G. Estudo sobre utilização de biogás produzido na unidade de tratamento de esgoto da Sabesp, em Barueri São Paulo, Mai, Condutos O biogás será conduzido por duto de PEAD, instalados diretamente no solo, interligando o gasômetro, de capacidade de m 3, ao sistema de tratamento do biogás da PCT. A água quente dos motores será transportado até os biodigestores através de dutos instalados em canaletas subterrâneas. Os cabos de energia elétrica serão instalados em leitos de cabos nas galerias subterrâneas existentes e em dutos de PEAD instalados diretamente no solo, interligando a sala de controle à Subestação 88/138 kv. Os cabos de comando e controle, da mesma forma, interligando a sala de controle à sala de operação da ETE. 5.0 VIABILIDADE ECONÔMICO-FINANCEIRO Para o estudo foram adotadas as seguintes premissas: Custo de capital: 12% a a; Alíquota de IR: 34%; Depreciação: no prazo de vida útil do projeto; Benefício do projeto: redução verificada na conta de energia elétrica;

4 4 FIGURA 2 PLANTA TÉRREO

5 2 FIGURA 3 SALA DE PAINÉIS FIGURA 4 CORTE A-A