BioProdução de Energia

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1 BioProdução de Energia

2 Relatório do Projecto FEUP BioProdução de Energia Coordenadora: Dra. Lúcia Maria da Silveira Santos Supervisora: Dra. Alexandra Rodrigues Pinto Monitora: Dra. Vânia Sofia Brochado de Oliveira Equipa: QUI605 Autores: Álvaro Manuel Coutinho Soares Ana Cláudia Carvalho Marques Ana Isabel Gabriel Pinto Ana Isabel Magalhães Fumega dos Santos Ana Isabel Teixeira Martins de Carvalho Inês Figueiredo Carviçais 21 de Outubro de 2010 Mestrado Integrado em Engenharia Química 1

3 Resumo do Trabalho No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, foi-nos proposta a realização deste relatório, onde abordamos o tema BioProdução de Energia. Debruçámo-nos, essencialmente, sobre os métodos de obtenção deste tipo de energias, bem como as suas vantagens e desvantagens. O tratamento de águas residuais foi também alvo de pesquisa, uma vez que os subprodutos provenientes deste processo, podem, posteriormente, ser utilizados para produção energética. Realçamos ainda a possibilidade de um eventual desenvolvimento deste ramo de produção energética. Assim, é importante termos em mente que ao optarmos por estes tipos de obtenção de energia, contribuímos para a redução da poluição e para a preservação do nosso planeta. 2

4 Palavras Chave BioProdução de energia Energias Renováveis Biomassa Biocombustíveis Células de Combustível 3

5 Agradecimentos Para a realização deste trabalho, contámos com a ajuda e disponibilidade da nossa monitora Dra. Vânia Oliveira, à qual gostaríamos desde já agradecer. Queremos ainda mostrar a nossa gratidão à coordenadora do Projecto, Dra. Lúcia Santos, e à nossa supervisora Dra. Alexandra Pinto pela oportunidade de abordar este tema e, assim, aprofundar os nossos conhecimentos nesta área. 4

6 Lista de Siglas CCA Células de combustível alcalinas CCAF Células de combustível de ácido fosfórico CCCF Células de combustível de carbonato fundido CCM Células de combustível microbianas CCMPP Células de combustível com membrana de permuta protónica CCOS Células de combustível de óxido sólido CH4 Molécula de metano CO2 Molécula de dióxido de carbono GEE Gases com efeito de estufa H2O Molécula de água KOH Molécula de hidróxido de potássio O 2 Molécula de oxigénio 5

7 Lista de Figuras Figura 1: Representação esquemática da produção de energia eléctrica através de Biogás..Página 11 Figura 2: Representação esquemática do funcionamento de uma CCMPP.Página 15 6

8 Índice 1. Introdução Contextualização Sócio-Económica BioProdução de Energia Biocombustíveis Biogás Biodiesel Bioetanol Células de Combustível Conclusão Bibliografia

9 1. Introdução A sociedade actual caracteriza-se por ser uma sociedade de consumo. Todas as actividades sócio-económicas, desde as grandes indústrias às tarefas mais simples do nosso dia-a-dia, partilham um elo entre si a necessidade absoluta de energia eléctrica. Actualmente, pensar numa vida sem electricidade é um dos maiores infortúnios que poderíamos sofrer. Esta dependência iniciou-se no século XVIII, aquando a Revolução Industrial com o uso de carvão, fonte de energia não renovável. O avanço científico e tecnológico permitiu a descoberta de novos combustíveis fósseis e novas aplicações. Posteriormente, este tipo de obtenção de energia enraizou-se em todos os sectores de actividade humana. Deste uso excessivo, surgiram graves e preocupantes impactos, como a poluição, a destruição da camada de ozono e o aquecimento global. Com vista a resolver estes problemas e salvar atempadamente o nosso planeta, habitat natural de todos os seres vivos, criaram-se alternativas ao uso dos combustíveis fósseis, alternativas essas limpas, menos poluentes e, consequentemente, mais verdes. Assim, surgiu o interesse pelo aproveitamento das energias renováveis, que rapidamente se desenvolveram e passaram a ser frequentemente utilizadas. De entre essas soluções, destacam-se os biocombustíveis, que, tal como a palavra indica, originam energia a partir de matéria orgânica. Alguns exemplos deste tipo de combustíveis são o biogás, o bioetanol e o biodiesel. 8

10 2. Contextualização Sócio-económica A sociedade de hoje em dia, devido ao aumento descontrolado da população e à crescente dependência de equipamentos tecnológicos, confronta-se com uma crescente necessidade de recursos energéticos. Actualmente, as fontes energéticas mais utilizadas para a obtenção de energia eléctrica são os combustíveis fosseis, como o carvão, o petróleo e o gás natural, contudo as suas reservas naturais são finitas, tornando-os assim um recurso não renovável. Para além desta desvantagem, a libertação de gases poluentes para a atmosfera resultantes da queima destes combustíveis, como o dióxido de carbono (1. CH 4 +2 O 2 CO 2 +2 H 2 O) é também um dos graves problemas que a sociedade actual enfrenta. Tal acontece, uma vez que GEE contribuem para o aumento do aquecimento global, que por sua vez provoca alterações climáticas, destabilizando o equilíbrio da mãe Natureza. [1] Assim, cientistas de todo o Mundo sentem-se na obrigação de se debruçarem sobre novos métodos de obtenção de energia que possam um dia vir a substituir por completo a energia actualmente produzida pelos combustíveis fósseis, energia essa, que na tentativa de minimizar os impactos ambientais, deverá ser o mais limpa possível. Ainda assim, é importante ter em atenção que seria vantajoso para a população mundial que estes novos recursos energéticos fossem renováveis, dado que deste modo a necessidade de energia eléctrica estaria a longo prazo assegurada. Apesar de serem processos, cujo custo de implementação é elevado, devido ao reduzido investimento e desenvolvimento nesta área, promovem a exploração local, diminuindo por sua vez os custos de distribuição e importação da energia. [2,3] 9

11 3. BioProdução de Energia A bioprodução de energia, tal como o próprio nome indica, é a obtenção de energia através de matéria biológica ou resultante da actividade de organismos. Assim sendo, todo este processo se inicia no que designamos habitualmente por biomassa. Fazem parte da biomassa os resíduos biodegradáveis urbanos e os subprodutos derivados das várias áreas de activada humana, como da pecuária e da agricultura. Para além de se obter biocombustíveis através da degradação da biomassa, esta também pode ser utilizada directamente como combustível. Em ambas as situações, gera-se energia sob a forma de calor, que pode servir como fonte de aquecimento, e, consequentemente, dar origem a energia eléctrica através da formação de vapor de água, que irá accionar as turbinas das centrais termoeléctricas. Embora a queima deste tipo de recursos resulte na libertação de dióxido de carbono, pode-se assumir que o balanço de emissões de CO 2 é nulo, uma vez que este composto fora outrora absorvido pelas plantas que deram origem ao combustível, durante o processo fotossintético. Além disso, este tipo de gases é o produto natural da decomposição da biomassa, e uma vez aplicados na produção de electricidade, assumem-se menos poluentes. [4] 3.1. Biocombustíveis Os biocombustiveis por si só ou misturados com combustíveis fósseis podem ser utilizados em veículos. Tal como referido anteriormente, este tipo de combustíveis tem a vantagem de diminuir as emissões de GEE e, consequentemente, a diminuição do aquecimento global. São alguns exemplos de biocombustíveis: o biogás, o biodiesel e o bioetanol. [5] Biogás Este biocombustível é composto por metano (50 a 70%), dióxido de carbono (25 a 50%), hidrogénio (1 a 2%), gás sulfídrico (0 a 3%), oxigénio (0 a 2%), amoníaco (0 a 1%) e azoto (0 a 7%), podendo ser obtido pela degradação biológica anaeróbica dos 10

12 resíduos orgânicos, quer de forma natural, por meio da acção de bactérias, quer de forma artificial, utilizando um biodigestor anaeróbio. O processo de produção de biogás pode ser dividido em três etapas: a hidrólise enzimática, a acidificação e a metanogénese. A hidrólise enzimática, designada também por fermentação, consiste na redução de moléculas complexas em moléculas mais simples utilizando bactérias fermentativas e hidrolíticas, ou seja, ocorre quebra de polímeros, transformando-os em compostos menores. As proteínas, os lípidos e os hidratos de carbono resultantes são, durante a fase de acidificação, transformados em ácido acético, hidrogénio e dióxido de carbono. Por último, estes compostos são convertidos em metano e dióxido de carbono, no que se designa por metanogénese. Para a obtenção de biogás são necessárias unidades processuais especializadas, tal como representado na figura 1. Nestas, o processo inicia-se com a deposição de excrementos e matéria vegetal num tanque colector. Por vezes, se necessário adiciona-se água à mistura para facilitar a transição desta para o biodigestor. Neste, a mistura é homogeneizada pelas pás existentes no reactor de aço inoxidável. Ao longo deste processo, a temperatura do biodigestor é mantida, por meio de um sistema de tubagens que o envolve, permitindo assim uma acção bacteriológica ininterrupta que garante uma produção contínua de biogás. Contudo, existe uma constante renovação da mistura, sendo que os resíduos são removidos da base do reactor e a nova matéria é introduzida acima do nível da mistura que se encontra em transformação. Dada a baixa densidade do biogás, este é capturado no topo do biodigestor por uma membrana expansível e extraído para, posteriormente, ser utilizado. Se se pretender obter energia eléctrica, o biogás é fornecido a um gerador que o transforma. Durante esta reacção é libertado calor, que é utilizado na manutenção da temperatura interna do biodigestor. Fig. 1- Representação esquemática da produção de energia eléctrica através de Biogás. 11

13 Durante o processo de obtenção do biogás, a presença de determinadas substâncias, nomeadamente a água e o dióxido de carbono, prejudicam a sua queima e, consequentemente, a eficiência do processo. Para além disso, a integridade das unidades processuais, como o motor do gerador, são afectadas pelo poder corrosivo associado ao gás sulfídrico. [6-9] Biodiesel O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, que pode ser obtido por diferentes processos: o cracking ou a transesterificação. O primeiro processo, quebra as ligações das moléculas complexas, transformando-as em moléculas mais simples. O segundo processo, é, actualmente, o mais utilizado e consiste na reacção química de óleos vegetais ou gorduras animais com o etanol ou o metanol, na qual se extrai a glicerina do óleo. Esta pode ser usada mais tarde na fabricação de sabonetes e de produtos cosméticos. É possível produzir biodiesel a partir de óleos usados, gorduras animais e de dezenas de espécies vegetais tais como: o girassol, a soja, a palma e o milho. De uma maneira geral, o biodiesel é aditivo do diesel tradicional, contudo pode ser utilizado puro. Nos dias de hoje, em Portugal, há muitas terras aráveis que podem produzir uma enorme variedade de oleaginosas, principalmente nos solos menos produtivos, com um baixo custo de produção. Quando usado em veículos, para além de não ser necessário efectuar nenhuma adaptação, contribui para o aumento da vida útil do motor, dado que é um óptimo lubrificante. O transporte e armazenamento deste composto é relativamente fácil, dado que o risco de explosão é baixo, pois precisa de uma fonte de calor acima de 150 Cº para entrar em ignição. Este combustível contribui para a diminuição da poluição e do efeito estufa, uma vez que reduz a emissão de gases provenientes da queima de combustíveis fósseis. A principal desvantagem da produção do biodiesel é o aumento da desflorestação para o cultivo de plantas oleaginosas, diminuindo a biodiversidade do 12

14 planeta. [10] Bioetanol O bioetanol é um combustível renovável produzido a partir de resíduos de matéria orgânica, constituída essencialmente por celulose, tais como cana-de-açúcar e milho. O processo de fabricação do etanol, a partir de resíduos vegetais, é dividido em quatro etapas. A primeira etapa do processo é o pré-tratamento ácido do bagaço da cana, onde ocorre quebra da estrutura cristalina da fibra do bagaço e recuperação de açúcares mais fáceis de hidrolisar, por hidrólise ácida. Na segunda etapa, designada por deslignificação, a lenhina, responsável pela protecção da celulose, é removida, de modo a permitir a acção microbiana no processo de fermentação. Destas duas etapas, resulta um líquido rico em açúcares, que numa terceira fase é fermentado pela levedura Pichia stipitis. O sólido proveniente da deslignificação, que é rico em celulose, é também, nesta fase, submetido a um processo enzimático de sacarificação, onde ocorre uma transformação de açúcares e, posteriormente, uma fermentação pela Sacharomyces cerevisiae, a mesma levedura utilizada no fabrico do pão. Na última fase, os produtos resultantes das fermentações são destilados. O produto desta destilação é o etanol, que possui as mesmas características do etanol obtido a partir de matéria fóssil. Tal como todos os biocombustíveis, também o bioetanol é uma fonte de energia renovável e contribui para uma diminuição 75% das emissões de gases poluentes relativamente à produção de energia através recursos fósseis. [11, 12] Células de Combustível Uma célula de combustível microbiana é uma célula electroquímica capaz de gerar electricidade a partir da matéria orgânica presente nas águas residuais. Na ETAR, estas águas passam por 4 etapas: o pré-tratamento, a decantação primária, o tratamento biológico e a decantação secundária. Durante o pré-tratamento, os sólidos de maiores dimensões são removidos por um processo designado gradagem. 13

15 De seguida, são retiradas as gorduras e as areias utilizando desarenadores e desengorduradores. Assim, a primeira etapa contribui para a preservação dos equipamentos e facilita o tratamento biológico, uma vez que são retiradas as gorduras. Por conseguinte, estas águas são submetidas a um processo físico e/ou químico de decantação, onde partículas em suspensão são extraídas. Restando apenas na água 60% da matéria orgânica, esta segue para os reactores biológicos, onde se processa a sua degradação, pela acção de bactérias aeróbias, que exigem a presença de oxigénio. Para manter os níveis de oxigénio constantes, este processo ocorre em tanques de arejamento. Por último, dá-se a decantação secundária onde são removidas as restantes impurezas sólidas. Todos os resíduos extraídos durante o tratamento de águas são enviados para uma linha de lamas, que compreende 3 fases: espessamento, digestão e desidratação. Em primeira instância, estas lamas passam por espessadores gravíticos, onde a matéria é engrossada. De seguida, a uma temperatura constante, dá-se o processo de digestão, onde os gases são removidos e armazenados num gasómetro. Estes gases dão origem a um subproduto designado por biogás. Por fim as lamas são desidratadas, através de 3 filtros banda, que retiram grande parte da restante água. Habitualmente, é adicionado, durante esta fase, um produto químico que aumentará a eficiência desta fase. No final do tratamento, as lamas têm uma consistência semelhante à da plasticina. Estas lamas tratadas na ETAR são utilizadas na agricultura, como adubo orgânico, e também servem de alimento para a comunidade de bactérias que dará origem ao bio-hidrogénio, posteriormente utilizado para alimentar células de combustível. Os principais componentes de uma célula combustível são o ânodo, eléctrodo negativo; o cátodo, eléctrodo positivo; e um electrólito, para transportar os electrões. Através das reacções de oxidação-redução que ocorrem nos eléctrodos origina-se uma corrente eléctrica contínua, com base na transferência de electrões e protões entre o ânodo e o cátodo. Ou seja, a partir de combustíveis como o hidrogénio e o oxigénio é possível produzir energia, dado que estes são reduzido e oxidado, respectivamente. 2. Ânodo: H 2 (g) 2H + (aq) + 2e - 3. Cátodo: 1/2O 2 (g) + 2H + (aq) + 2e - H 2 O (g) 14

16 Fig. 2 Representação esquemática do funcionamento de uma CCMPP. Existem diferentes tipos de células de combustível: células de combustível com membrana de permuta protónica, células de combustível alcalinas, células de combustível de ácido fosfórico, células de combustível de carbonato fundido, células de combustível de óxido sólido e células de combustível microbianas. [13,14] As CCMPP possuem uma membrana de permuta iónica que conduz os protões do ânodo para o cátodo de forma eficiente, dada a sua boa condutibilidade. Estas células utilizam como combustível hidrogénio de elevado grau de pureza. É importante ter em conta dois factores: temperatura inferior a 100ºC e presença de água no estado líquido, que permita à membrana a constante hidratação, essencial ao processo de produção de energia. Contudo, para baixas temperaturas, a reacção em causa fica comprometida, o que obriga a recorrer a catalisadores, como a platina, e a eléctrodos sofisticados que permitam que o processo se torne eficaz. Existem diversas variantes das CCMPP, que utilizam combustíveis alternativos, como o metanol e o etanol, que previamente os convertem em hidrogénio. O facto de se utilizar, como único líquido, a água, evita elevados níveis de corrosão. As CCA, a temperaturas elevadas, utilizam um electrólito de uma solução concentrada de KOH, e, para temperaturas inferiores a 120ºC, utilizam uma solução de menor concentração. As baixas temperaturas, tal como anteriormente referido, constituem um problema, uma vez que afecta a velocidade da reacção. Porém este é 15

17 superado com a utilização de eléctrodos porosos e pressões elevadas. Comparativamente aos electrólitos ácidos, os electrólitos alcalinos reduzem mais rapidamente o oxigénio no cátodo. Contudo, o uso de electrólitos alcalinos, diminui o rendimento do processo, visto que, com o passar do tempo, estes dissolvem o CO 2. As CCAF utilizam como electrólito o ácido fosfórico, cuja estabilidade é elevada quando comparada com outros ácidos. Para além disso, as CCAF conseguem produzir energia a temperaturas elevadas, o que constitui uma vantagem. Porém, durante o processo, existe dificuldade em armazenar o hidrogénio. De forma a solucionar este problema, é necessário o investimento em equipamento mais complexo que transforme o metano em hidrogénio e dióxido de carbono, o que acarreta custos consideráveis. Contudo, os custos de manutenção são reduzidos e o processo de obtenção de energia é seguro. As CCCF utilizam como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos, que formam um sal altamente condutor de iões, a temperaturas que se encontram na faixa dos 600 aos 700ºC. As CCOS possuem velocidades de reacção elevadas, sem a utilização de catalisadores, devido às temperaturas a que opera, que variam entre os 600 e os 1000ºC. Como electrólito utiliza-se um óxido de metal sólido não poroso. Possuem desvantagens como por exemplo: o elevado custo de fabrico e a necessidade de equipamentos extra para que a célula produza energia eléctrica. Deste modo, verifica-se que apenas as CCMPP utilizam um produto derivado da degradação de matéria orgânica como o hidrogénio, proveniente da acção de bactérias sobre as lamas, resultantes do tratamento de águas residuais. [15-18] O princípio de funcionamento das CCM é a libertação de electrões, durante a degradação da matéria orgânica, ou seja, durante a sua oxidação. Este processo pode ser traduzido pela seguinte equação: Estas células são constituídas por um ânodo, que se encontra inserido no bio reactor; um cátodo; uma membrana selectiva de H +, que separa os compartimentos onde se encontram cada um dos eléctrodos; e um circuito eléctrico externo, que fecha o circuito entre o cátodo e o ânodo. É também de extrema importância referir que ambos 16

18 os eléctrodos se encontram imersos em soluções aquosas para facilitar o transporte dos electrões. A presença do O 2 pode comprometer o processo de obtenção de energia, uma vez que se pode combinar prematuramente com o H +, produzido no ânodo. Assim, é importante que o processo se dê em condições anaeróbias, para que os H + livres atravessem a membrana selectiva assegurando a electroneutralidade do electrólito. Por outro lado, as reacções que ocorrem no cátodo apenas se dão em condições de aerobiose, uma vez que se tem como objectivo a formação de moléculas de água, como podemos perceber ao observar a seguinte figura: Deste modo, todo o processo de obtenção de energia a partir das CCM se resume na seguinte equação: Apesar do seu potencial desenvolvimento, apresentam actualmente algumas desvantagens. A variação da temperatura pode afectar o metabolismo dos microrganismos e diminuir a produção de energia eléctrica. Para além disso, pode apresentar o inconveniente de se tornar dispendioso e poluente, se se pretender utilizar mediadores electroquímicos para aproveitar os electrões resultantes da actividade dos microrganismos, que se encontram dispersos em solução. 17

19 Assim, as CCM sem mediadores electroquímicos são a escolha mais frequente. Nestas células os microrganismos formam o que se chama de biofilme constituído por microrganismos, resíduos metabólicos que envolvem o ânodo. Uma célula de combustível é capaz de: converter mais de 90% da energia contida num combustível em energia eléctrica e calor e diminuir significativamente o ruído associado aos sistemas convencionais de produção de energia. Para além de tudo isto, apresentam um elevado potencial de desenvolvimento, dado o interesse mundial nesta temática. [19] 18

20 4. Conclusão Bioprodução de energia: uma fonte renovável e menos poluente. Este é o actual cenário com o qual nos deparamos e que abre caminho a um futuro mais respeitador do ambiente. Assim, a necessidade de preservar o nosso planeta, um bem considerado já adquirido, conduz à constante procura de recursos alternativos, tais como os biocombustíveis, que apresentam demasiadas vantagens para serem ignorados. Um futuro mais verde, não deve ser uma opção, mas sim uma obrigação perante a realidade poluente com que nos deparamos. Chegou o momento de nos redimirmos dos nossos erros, sendo urgente substituir a mais usual forma de obtenção de energia, os combustíveis fósseis, e optar, quem sabe, pela bioprodução de energia. Usar a biomassa como fonte de obtenção de energia é o futuro do nosso planeta, dado que assegura a total dependência energética do Homem. Com este trabalho, pretendemos reforçar a importância da obtenção de energia a partir de matéria orgânica e evidenciar as suas vantagens. 19

21 5. Bibliografia [1] Alternative Energy Secret. Combustíveis Fósseis: suas vantagens e desvantagens. PT&langpair=en pt&u= (accessed October 09, 2010). [2] Nota Positiva. Energias Renováveis. lhos/energrenovaveis.htm (accessed October 09, 2010). [3] AGENEAL (Agência Municipal de Energia de Almada). Energias Renováveis. (accessed October 09, 2010). [4] Portal Energia. Biomassa Resíduos Orgânicos (accessed September 20, 2010). [5] Sua Pesquisa.Biocombustíveis. (accessed September 22, 2010). [6] Biogás. Biogás. (accessed October 09, 2010). [7] Biogás. josecaldas1.googlepages.com/biogs.pps (accessed October 09, 2010). 20

22 [8] Advanced Green Energy Solutions. Diagrammatic Representaion of a Biogas Renewable Energy System. (accessed October 09, 2010). [9] Agrener. Sewage Biogas convertion into electricity. oad/projetos/agrener2006_energ-biog.pdf+forma%c3%a7ao+biogas&hl=pt- PT&pid=bl&srcid=ADGEEShWEWBnB_BjmMHf9BHVN2enbB12penbCDcWhIb_6i FTS6abTtDNbNXDe9mU7uu8Sa224hGAFVYsJUNql4m2EL7G0YxqS3HrXs9_ILoP0 rvmgm7r2k2s4gcen9apd1bv3gzhfggo&sig=ahietbttkxiydch9vbip2iegiwc VkukT7g (accessed October 09, 2010). [10] Wikipedia. Biodiesel (accessed October 13, 2010). [11] Biodieselbr. Bioetanol (etanol de lignocelulose) (accessed October 13, 2010). [12] Instituto Ressoar. Vantagens e desvantagens do bioetanol. s_bioetanol.asp (accessed October 9, 2010) [13] Escola Básica1 de Albergaria-a-Velha. Tratamento de Águas Residuais. (accessed September 22, 2010). 21

23 [14] Portal da Energia. Células de Combustível - Tipos? (accessed September 20, 2010). [15] Electricidade: Células de Combustível. Células de Combustível px?id=10 (accessed October13, 2010). [16] Portal das Energias. Células de Combustível - Como Funcionam? (accessed September 20, 2010). [17] Portal das Energias. Vantagens e Desvantagens das Células de Combustível (accessed September 20, 2010). [18] Portal das Energias. Que Futuro? (accessed September 20, 2010). [19] Carvalho, Tiago Células de Combustível Microbianas. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. 22