BIOGÁS PRODUZIDO A PARTIR DE VINHAÇA: ESTUDO TÉCNICO E NORMATIVO

Transcrição

1 BIOGÁS PRODUZIDO A PARTIR DE VINHAÇA: ESTUDO TÉCNICO E NORMATIVO Marilin Mariano dos Santos 1, Hirdan Katarina de Medeiros Costa 2, Edmilson Moutinho dos Santos 2, Frederico Miura 3 1 Instituto Mauá de Tecnologia marilin.mariano@gmail.com 2, Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo (PPGE/USP) 3 Aluno especial de mestrado do programa de Pós-Graduação do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo (PPGE/USP) Resumo O objetivo do trabalho reportado foi o de estudar, do ponto de vista técnico, a possibilidade de ajustar as características físicas e químicas de biogás produzido a partir da fermentação de vinhaça, visando a sua intercambiabilidade com o Gás Natural (GN) em processo de combustão, ou a produção de biometano, cujas características permitam introduzi-lo na rede de distribuição. Foi, ainda, objetivo do estudo o levantamento e análise dos dispositivos normativos que disciplinam a utilização do biogás e biometano em outros países. No estudo foram considerados como referência aspectos normativos e técnicos utilizados em países como Alemanha, Áustria, Suíça e Suécia, pioneiros na introdução de biogás em rede de distribuição de gás natural. Os resultados indicam que a produção e o tratamento do biogás de vinhaça apresentam viabilidade técnica tanto para a intercambiabilidade com gás natural, como para produção de biometano para injeção na rede de distribuição. Ainda como resultado é apresentado uma breve análise dos dispositivos normativos dos países citados. Palavras-chave: Biogás, Biometano, Viabilidade técnica do biometano. Abstract The main goal of this paper was to study, from a technical point of view, the ability to adjust the physical and chemical characteristics of biogas produced from anaerobic digestion process of vinasse, seeking its interchangeability with Natural Gas (NG) during the combustion process, or the production of biomethane, whose characteristics allow to introduce it in distribution grid. It was also our aim to collect and to analyse regulatory

2 provisions regarding the use of biogas and biomethane in other countries. It was considered regulatory and technical references from countries like Germany, Austria, Switzerland and Sweden. Those countires were pioneers to introduce biogas into natural gas distribution grid. The results show that production and treatment of vinasse biogas present technical feasibility as well as interchangeability with natural gas in order to produce biomethane. Even as a result is presented a brief analysis of the regulatory provisions of the aforementioned countries. Keywords: Biogas, Biomethane, Technical viability of biomethane. 1. INTRODUÇÃO O termo "biogás é utilizado para definir um gás que tenha sido produzido a partir da decomposição biológica de matéria orgânica, na ausência de oxigênio, cujo processo mais difundido é o denominado de digestão anaeróbica (DA). No processo podem ser utilizados uma variedade de fontes de biomassa como: resíduos de instalações de tratamento de esgoto, dejetos de indústria de abate de animais, aterros sanitários, resíduos de madeira, resíduos de colheitas, resíduos indústrias, etc. Quanto ao uso final, o biogás pode ser utilizado na própria planta para geração de calor e energia (uso in site) ou distribuído em rede para uso veicular ou injetado na rede de distribuição de gás natural (uso off site). Desse modo, pode-se afirmar que o uso do biogás como fonte de energia renovável apresenta um papel triplamente positivo, ou seja, diminui a dependência energética, auxilia na gestão e tratamento de resíduos, e corrobora para a redução das emissões de gases de efeito estufa. No que se refere aos aspectos econômicos, a produção de biogás pode ser valorada por três pilares: valorização energética (calor, eletricidade, volume injetado na rede ou aplicação veicular), valorização dos rejeitos resultante da digestão anaeróbica e valorização econômica devido à redução das emissões de GEE. No Brasil, o setor sucroalcooleiro conta com 411 usinas que juntas produziram, em média nos últimos 5 anos, 25 bilhões de metros cúbicos de álcool por safra (BRASIL, 2015) e, no que pese a importância do uso do etanol como fonte de energia renovável, a sua

3 produção tem gerado grandes quantidades de rejeitos de processo, principalmente o denominado de vinhaça. Uma vez que o volume de vinhaça gerado é da ordem de 8 a 15 litros por litro de álcool produzido FREIRE; CORTEZ, 2000; Andrade (2009), o seu uso é amplamente destinado à fertirrigação da cana-de-açúcar, devido aos nutrientes e matéria orgânica existentes em sua composição, importantes na agricultura, tais como nitrogênio, fosforo e potássio. Entretanto, no que pese a externalidade positiva devido ao etanol ser um combustível renovável, a utilização de forma inadequada da vinhaça como fertirrigador pode acarretar externalidades negativas significativas como a contaminação do solo e das águas superficiais e subterrâneas. Nos últimos anos vários estudos estão sendo desenvolvidos cujo objeto é a valoração da vinhaça e, entre as formas de valoração, a geração de biogás e o seu uso final como uma importante vertente. Observa-se que a motivação para tais estudos deve-se às grandes quantidades de vinhaça geradas e das possíveis externalidades negativas devido ao uso da vinhaça como fertirrigador devido ao teor de matéria orgânica presente na vinhaça. Diante do exposto, este artigo tem a finalidade de discutir o uso do biogás proveniente da digestão anaeróbica da vinhaça no que tange à regulamentação e à qualidade. No estudo considera-se a experiência internacional relativamente aos usos finais e à regulamentação para controle da qualidade do biogás produzido. 2. CARACTERÍSTICAS E USOS DO BIOGÁS DA VINHAÇA Segundo GRANATO (2003), a digestão anaeróbica da vinhaça é feita em reatores de alto desempenho e baixo tempo de retenção como os reatores do tipo Fluxo Ascendente e de Manta de Lodo, também conhecidos como UASB (do inglês, upflow anaerobic sludge blanket digestion). Os principais compostos que resultam da digestão anaeróbica da vinhaça e de materiais orgânicos são o dióxido de carbono, o gás metano e a água, que, dependendo do teor de metano, quando queimado, pode liberar quantidades de energia da ordem de 20,9 a 25,1 MJ/m 3 1, qualificando-a assim como gás combustível (IANNICELLI, 2008). 1 A faixa de energia liberada refere-se ao poder calorífico inferior PCI.

4 Observa-se que o biogás produzido por ter um poder calorifico inferior (PCI) de grandeza média e ter pequenas proporções de compostos contaminantes em sua composição tais como: ácido sulfídrico (H 2 S), amônia e entre outros, que, dependendo das concentrações presentes, pode inviabilizar o uso do biogás in natura para um dado uso final pretendido, tendo em vista as restrições técnicas e/ou legais. Contudo, processos de "limpeza" que removem compostos como umidade, dióxido de carbono, gás sulfídrico entre outros, podem ser utilizados, tornando o biogás muito similar ao gás natural convencional, principalmente no que tange ao poder calorífico e ao índice de wobbe. Assim, o biogás de vinhaça, após passar pelo processo de limpeza, pode ter composição muito similar ao gás natural e receber o nome de biometano. Na Tabela 1 são apresentados valores típicos da caracterização de biogás gerado por processo de digestão aeróbica e o biometano resultante. Ressalta-se que são valores típicos, uma vez que as concentrações do biogás dependem das condições operacionais do reator, do teor de matéria orgânica presente na vinhaça etc. Tabela 1. Exemplos de composição típica de biogás e biometano. (DTI, 2012 adaptada pelos autores). Parâmetro Biogás Biometano CH 4 (% v/v) CO 2 (% v/v) H 2 (%v/v) 0-0,02 0-0,06 N 2 (%v/v) <2 <3 H 2 S (ppmv) <20 Amonia (ppmv) <500 <20 H 2 O (% v/v) <5 0 Além dos compostos listados na Tabela 1, outros compostos como compostos halogenados, compostos voláteis orgânicos (VOCs), metais pesados, etc podem ser encontrados na composição do biogás e do biometano a nível de traços. No que se refere a expectativa das quantidades de biogás e biometano produzidos a partir da vinhaça, cálculos estimados considerando um valor médio de 250 bilhões de metros cúbicos de vinhaça, média dos últimos 5 anos; um fator de conversão de vinhaça para metano de 14,23 m 3 CH 4 /m 3 vinhaça (SALOMON, 2005) e, os valores de concentração apresentados na Tabela 1 indicam como resultado um potencial de geração de biogás de

5 vinhaça da ordem de 20 a 24 bilhões de metros cúbicos em média nos últimos 5 anos. Se considerarmos os mesmos parâmetros paras cálculos estimativos para o biometano, os valores de produção estimados são da ordem de 14 bilhões de metros cúbicos. Devido ao mercado promissor da produção e uso de biogás e biometano, os gestores públicos têm se utilizado de dispositivos regulamentadores que garantem a qualidade mínima do biogás, visando a garantir a qualidade do biogás, principalmente do biometano distribuído em rede e para uso veicular. Na Europa, regulamentações técnicas para o biometano a ser injetado na rede e para uso veicular consideram uma qualidade mínima do gás, especificações, projeto, filosofia de operação e manutenção da rede e outros requisitos específicos dependentes de avaliação de risco consoante com o ponto de injeção. Observa-se que os regulamentos técnicos específicos das regulamentações europeias, resultantes de avaliação de risco, consideram a existência de instalações sensíveis a jusante do ponto de injeção, impacto da configuração da rede e seus futuros desenvolvimentos; riscos químicos e biológicos à saúde; limitações de vazão em função da demanda de gás na rede de injeção entre outras. Observa-se, ainda, que com a finalidade de uniformizar a especificação do biometano e, consequentemente o aumento da disponibilidade a nível europeu, em 2012 o CEN criou o grupo de trabalho TC 408 para desenvolver normas europeias ou especificações técnicas para o biometano a ser injetado na rede de gás natural e para uso veicular, o resultado são as normas: pr EN para injeção na rede e a pr EN especificação de combustível automotivo. No Brasil, a Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) janeiro de 2015, a publicou a Resolução n 8/2015 que estabelece as especificações para o biometano nacional. A Resolução é aplicável apenas para biometano oriundo de produtos e resíduos orgânicos agrossilvopastoris e comerciais, e seu uso final apenas para o uso veicular (GNV) e às instalações residenciais e comerciais. A Resolução, ainda, determina regras de uso e de controle de qualidade do biometano comercializado. 2 Natural gas and biomethane for use in transport and biomethane for injection in the natural gas network. Part 1: Specifications for biomethane for injection in the natural gas network 3 Natural gas and biomethane for use in transport and biomethane for injection in the natural gas networkpart 2: Automotive fuel specifications

6 Na Tabela 2 é apresentado a qualidade mínima regulamentada do biometano para que este seja injetado na rede de gás natural em vários países na Europa e na Tabela 3 a especificação mínima regulamentada pela ANP para o biometano proveniente de materiais orgânicos oriundos da indústria agrossilvopastoril e do comércio. Tabela 2. Qualidade mínima do biometano, regulamentada em vários países da Europa (DTI, 2012, adaptada pelos autores). CH 4 CO 2 O 2 H 2 CO Const. Unid. Áustria Bélgica % vol/mol % vol/mol % vol/mol % vol/mol % vol/mol Rep Checa Alemanha Suécia Suíça >96 >85 >95 >97 >96 <3 <2,5 <5 <6 (seco) <3 <6 0,5 0,5 0,5 (úmido) 3 (seco) 1 0,5 4 0,1 5 0,5 4 0,2 S total mg/nm H 2 S (+ COS na Fr, Be, Es) mg/nm Mercaptana mg/nm ppmv Compostos halogenados Metais pesados mg/nm 3 0 mg/nm 3 1 Cl 10 F 1(µg Hg) 5 (F +C)l Siloxanos mg/nm (Si) 0 1 Amonia mg/nm 3 isento 3 isento H 2 O mg/nm Ponto de orvalho da água Odorizante Particulas Microorganis mos o C BTX mg/nm 3-8(40 bar) definido pela rede de GN Tec. Isento -10 sem partic. Temp. do solo definido pela rede de GN sem partic. t min -5 definido pela rede de GN Prevenir condensa ção mg THT/m3

7 Tabela 3. Qualidade mínima do biometano segundo a Resolução n 8/2015 da ANP (ANP, 20150) Limite Característica Unidade Região Norte - Urucu Demais Regiões Metano % mol. 90,0 a 94,0 (2) 96,5 mín. Oxigênio, máx. % mol. 0,8 0,5 CO2, máx. % mol. 3 3 CO2+O2+N2, máx. % mol. 10 3,5 Enxofre Total, máx.(3) mg/m Gás Sulfídrico (H2S), máx. mg/m Ponto de orvalho de água a 1atm, máx. ºC MERCADO DO BIOGÁS NA EUROPA E NO BRASIL Somado à regulamentação técnica, para que o mercado do biogás ou biometano se desenvolva é necessário a existência de regulamentação que discipline e conceda incentivos fiscais, divisão dos custos entre os operadores, pagamento da injeção, acesso às redes etc. A existência de incentivos para que o setor se desenvolva é de suma importância, uma vez que a injeção de biometano nas redes enfrenta desafios adicionais como a necessidade de escala, os custos de limpeza, os custos dos gasodutos de ligação ao ponto de injeção, bem como os requisitos de compressão adicional. A Europa apresenta uma forte tendência política em apoiar as energias renováveis, cujos reflexos são explicitados na forte regulamentação sobre o tema, biogás. Nesse cenário, destaca-se o uso do biogás como forma promissora e eficiente que está auxiliando a satisfazer as expectativas políticas da União Europeia, que definiu uma quota de pelo menos 20% de energia proveniente de fontes renováveis no consumo final bruto de energia da Comunidade Europeia até 2020 (Diretiva Europeia 2009/28/CE). A Comunidade Europeia considera que o biogás auxiliará a reduzir as emissões dos combustíveis fósseis e, também, a atender aos objetivos europeus quanto a gestão dos resíduos sólidos orgânicos, estipulados na Diretiva Europeia 1999/31/CE, que atribui aos Estados Membros a necessidade de reduzir a quantidade de resíduos biodegradáveis destinados a aterros sanitários.

8 O biometano ganhou peso na Europa quando a Diretiva 2009/73 CE estabeleceu regras para o gás natural, incluindo o gás natural liquefeito (GNL), regras estas igualmente aplicáveis ao biogás e aos gases provenientes de biomassa ou outros tipos de gases, desde que esses gases possam ser, do ponto de vista técnico e da segurança, injetados e transportados na rede de gás natural. Outro fato importante no desenvolvimento do biometano na Europa foram os incentivos fiscais e financeiros, fundamentais para o desenvolvimento da economia do biogás e biometano. Na Alemanha, em 2007, o "Programa de Energia Integrada e do Clima" (IEKP), é a linha condutora para atingir a meta de reduzir as emissões de gases de estufa em 40% até 2020 em comparação às de O pacote é composto de 29 medidas, que auxiliam a definir os programas de subvenção e regulação relativos às energias renováveis. Em países como a Dinamarca, Alemanha e Áustria, os investidores na tecnologia de digestão anaeróbia recebem subsídios ao investimento, com preços de venda mais elevados da eletricidade gerada a partir de biogás, ou ainda, juros reduzidos dos empréstimos bancários. Estas medidas têm claramente incentivado a construção de novas plantas de geração movidas a biogás. Os incentivos para o desenvolvimento do mercado do biogás na Suécia estão presentes nas políticas de energia e meio ambiente. O Climate Investment Program Klimp da Suécia destina para cada unidade de biogás uma bolsa de até 30% do valor do investimento total. Para o usuário final, no caso o proprietário do veículo a biogás, este também se beneficia de um subsídio financeiro. O resultado das políticas governamentais na Europa são explicitados com capacidade instalada de produção de biometano na União Europeia até o ano de Os Nm³/h produzidos são distribuídos em 282 plantas dedicadas para a produção de biometano (Przadka, 2015). No Brasil, a produção de biogás e biometano é impulsionada ao nível federal pela Lei nº /2009, que instituiu a Política Nacional de Mudanças Climáticas e a Lei nº /2010, que trata da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS). No Estado do Rio de Janeiro a Lei nº 6361, de 18 de dezembro de 2012 torna mandatória a injeção de 10% de biogás proveniente de RSU (Resíduos Sólidos Urbanos) na rede da distribuidora local de gás canalizado. Em São Paulo, com o objetivo de alavancar o mercado de biogás e biometano. Foi promulgada a Lei nº , de 9 de novembro de 2009, que institui a Política Estadual de

9 Mudanças Climáticas, regulamentada pelo Decreto nº , de 24 de junho de Posteriormente, o Decreto no de 4 de dezembro de 2012, instituiu o Programa Paulista de Biogás e Biometano de São Paulo. Quanto aos incentivos fiscais, no Brasil há várias fontes de incentivos que auxiliam o desenvolvimento do mercado de energia da biomassa residual, tais como: o Plano Nacional de Agroenergia, o Programa de Agricultura de Baixo Carbono, o Programa Nacional para a Agricultura Familiar (PRONAF), o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (PROINFA), entre outros. A maioria destes programas preveem incentivos que propiciam créditos diferenciados para inovação e transferência de tecnologia que garantam a sustentabilidade da cadeia produtiva da agroenergia. No Estado de São Paulo, o Decreto nº , DE 20 DE DEZEMBRO DE 2013 reduziu a base de cálculo do imposto incidente nas saídas internas de biogás e biometano, de forma que a carga tributária corresponda ao percentual de 12%. Observa-se que, devido as políticas e incentivos concedidos, segundo o relatório do IEA (2015), o Brasil tem instaladas 25 unidades de produção de biogás, que juntas perfazem um total de 12,3 GW instalados. Das 28 unidades de produção, oito utilizam lodo de estação de tratamento de esgoto, uma de resíduos biológicos, nove de resíduos agrícolas, duas resíduos industriais e oito resíduos urbanos (aterros sanitários). Segundo Cicero Bley, representante do Brasil na International Energy Agency - Task Force Biogas, o Brasil tem um potencial de produção de biogás de aproximadamente 30 bilhões de metros cúbicos por ano, que, utilizados na geração de eletricidade disponibilizariam MWh/ano (BRASIL, 2014). 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS O artigo mostrou que, em função do potencial de geração de vinhaça e da geração de biogás a partir desta, a viabilidade técnica é viável, porquanto estudos específicos tem mostrado fator de conversão da matéria orgânica em metano da ordem de 14 m 3 CH 4,/m 3 de vinhaça. Igualmente, abordou-se a existência de tecnologias capazes de atender os requisitos mínimos de qualidade definidos para os usos finais regulamentados tanto a nível internacional, quanto no Brasil. No que se refere a viabilidade econômica, ressalta-se que devido ao montante dos investimentos envolvidos e custo operacionais, ambos dependentes da tecnologia utilizada para purificação e da infraestrutura de ligação para sua distribuição ou uso final, países

10 pioneiros na produção de biometano possuem regulamentações que comtemplam subsídios em impostos e financiamento para os operadores. No que se refere à regulação econômica e comercial, constatou-se que no Brasil, também já existem políticas nacionais correlatas ao tema e leis que tratam dos incentivos fiscais e financiamentos para o setor. Atualmente, na Europa está em discussão a estratégia de se trabalhar a produção de biometano centralizada com logística de coleta das matérias-primas, ou seja, utilizar os mecanismos de formação de cluster para se ter a maior eficiência técnica e econômica No Brasil, dentre os desafios, enxergam-se gargalos na logística de injeção do biometano na rede de distribuição. Entretanto, cabe ressaltar que esta é uma alternativa de implementação do biometano ao médio e longo prazo, posto implicar na redução de custo e propiciar que pequenos e médios produtores de matérias primas possam obter melhor eficiência no processo como um todo. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE, J. M. F. A. Construção de um Índice de Sustentabilidade Ambiental para a Agroindústria Paulista da Cana de Açúcar (ISAAC). Dissertação (Mestrado). São Paulo. Fundação Getúlio Vargas BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Balanço Energético Nacional 2015: ano base Brasília, Disponível em: gov.br/downloads/relatorio_final_ben_2008.pdf Acesso em: BRASIL. Biogás entra pela primeira vez em leilão de reserva da Aneel. Portal Brasil: Infraestrutura. Publicado: 03/10/ h15. Disponível em: Acesso em: ALLEGUE, L. D. & HINGE, J. Report on Biogas and bio-syngas upgrading, DTI - Danish Technological Institute Kongsvang Alle 29, DK-800, Aarhus C EBA. Biogas Report European Biogas Association. Disponível em: Acesso em FREIRE, W.J.; CORTEZ, L.B. Vinhaça de cana de açúcar. Livraria e Editora Agropecuria, Gua.ba, p.

11 GRANATO, E. F. Geração de energia através da biodigestão anaeróbia de vinhaça. Dissertação de Mestrado em Engenharia Industrial. Universidade Estadual Paulista. Bauru, São Paulo, IANNICELLI, L, A. Reaproveitamento Energético do biogás de uma indústria cervejeira. 2008, 83f. Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica. Universidade de Taubaté. Taubaté, São Paulo, IEA-International Energy Agency. Bioenergy Task 37 - Country Reports Summary IEA Bioenergy. Janeiro ISBN Disponível em: Acesso em KLEIN, C. (2012), Climate Change Policies in Germany: Make Ambition Pay, OECD Economics Department Working Papers. 2012, N o. 982, OECD. Disponível em. Acesso em em PERSSON, T & SVENSSON, M. Non-grid biomethane transportation in Sweden. And the development of the liquefied biogas market. IEA bioenergy task 37: Energy from Biogas. Sweden, SALOMON, K.R. & LORA, E. E. S. Estimativa do potencial de geração de energia elétrica para diferentes fontes de biogás o Brasil. Biomassa & Energia, v. 2, n. 1, p , PRZADKA, A. Workshop: Apresentação do Estudo - Avaliação do Potencial e Impacto do Biometano em Portugal. Lisboa. Przadka, Agata. State of the Art of Biogas and Biomethane in Europe. Laboratório Nacional de Energia e Geologia, I.P , Lisboa Portugal. ANP 08 Resolução ANP nº 08, DE DOU Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis.