PROGRAMA DE USO RACIONAL DE ENERGIA E FONTES ALTERNATIVAS PUREFA

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1 PROGRAMA DE USO RACIONAL DE ENERGIA E FONTES ALTERNATIVAS PUREFA 1 SUANI TEIXEIRA COELHO 2 SILVIA MARIA STORTINI GONZALEZ VELAZQUEZ, 3 ORLANDO CRISTIANO DA SILVA 4 AMÉRICO VARKULYA JR. 5 VANESSA PECORA IEE/CENBIO INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO/CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM BIOMASSA 1 SECRETÁRIA EXECUTIVA 2 COORDENADORA TÉCNICA 3 COORDENADOR DE PROJETO 4 ENGENHEIRO 5 ENGENHEIRA 1. RESUMO O PUREFA (Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas) trata-se de um projeto da USP Universidade de São Paulo, apoiado financeiramente pela FINEP Financiadora de Estudos e Projetos, em um edital voltado à infra-estrutura (CT INFRA), que apresenta três objetivos principais: implantar medidas de gestão e de ação de eficiência energética visando reduzir o consumo de energia elétrica na Universidade; ampliar a geração distribuída na USP a partir de recursos renováveis e não convencionais de energia e implantar políticas de incentivo permanente ao uso eficiente e racional de energia. Entre as 14 metas integrantes deste projeto, o CENBIO (Centro Nacional de Referência em Biomassa), de acordo com seus propósitos de promover o uso eficiente e disseminar informações referentes à biomassa, comprometeu-se com a implementação de um sistema de geração de energia elétrica, a partir do biogás gerado por um biodigestor tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), localizado no CTH (Centro Tecnológico de Hidráulica), no campus da capital da Universidade de São Paulo. O atendimento a este objetivo compreende a execução seqüenciada de duas das metas do referido projeto, sendo elas as metas 11 e 12. As atividades previstas na meta 11, ainda em fase de execução, incluem a implementação de um sistema de captação e armazenamento do biogás. A meta 12 se refere à implementação e operação do sistema de geração propriamente dito, incluindo, portanto as seguintes etapas: o dimensionamento do motor, definição de seu tempo de operação, acompanhamento de sua operação e divulgação dos resultados obtidos por meio da elaboração de relatórios, previstos

2 para dezembro de ABSTRACT The PUREFA (Rational Alternative Energy Sources Use Program) developed by (USP) São Paulo University and supported by FINEP (Studies and Project Financier) presents tree main objectives: to implant management measures and energy efficiency action; to increase the distributed electric generation in USP from the renewable and non conventional energy resource and to introduce politics incentive to the efficient and rational energy use. This project is composed by 14 stages and CENBIO (Biomass Brazilian Reference Center), according to its mission, based on biomass use incentive, is responsible for a electric energy system implementation, using the biogas generated in a UASB biodigestor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), located at CTH (Hydraulically Technologic Center) in São Paulo University s campus. This objective involves two stages in PUREFA Program, corresponding to 11 and 12. The stage 11, which is currently in execution phase, involves the caption and storage implementation of biogas produced. The stage 12 is referent to the electric generation system implementation and includes: the entire project of engine employed in electric energy generation and the final results obtaining. 3. INTRODUÇÃO O biodigestor tipo UASB utilizado neste projeto opera 24 horas por dia e sua produção estimada de biogás correspondente a 4m 3 por dia. Atualmente, este equipamento é empregado somente para pesquisas referentes ao tratamento do esgoto, gerado no CRUSP (Conjunto Residencial da Universidade de São Paulo). O biogás, que em sua composição apresenta uma acentuada concentração de gás metano (CH 4 ), é emitido para atmosfera. O aproveitamento do biogás para geração de eletricidade apresenta uma importante contribuição ambiental, dado que o potencial do metano é cerca de 25 vezes superior ao dióxido de carbono (CO 2 ), no que se refere ao efeito estufa. Para que o biogás possa ser utilizado é necessário identificar sua vazão, composição química e poder calorífico, parâmetros que permitirão determinar o real potencial de geração de eletricidade, além de permitir dimensionar os processos de pré-tratamento do biogás, visando a remoção de H 2 S. Dessa forma, inicialmente será mostrado neste trabalho uma descrição do sistema de tratamento de esgoto realizado atualmente, bem como do processo de formação do biogás. Posteriormente serão apresentados e discutidos os resultados provenientes das duas análises realizadas, relativas à composição do biogás. 4. DESCRIÇÃO DAS OPERAÇÕES DO SISTEMA DE EFLUENTES

3 A composição química do biogás gerado depende de vários parâmetros, essencialmente do tipo de biodigestor utilizado e do tipo de material orgânico a ser tratado. Porém, seus componentes mais importantes são o metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ) e gás sulfídrico (H 2 S). Por esta razão, este item aborda o sistema de tratamento de esgoto empregado neste projeto, bem como uma breve descrição sobre as etapas de formação do biogás. 4.1 SISTEMA DE PRÉ-TRATAMENTO DO EFLUENTE LÍQUIDO O esgoto a ser tratado passa por dois estágios de separação de sólidos, trazidos durante o transporte do efluente, desde o CRUSP até a unidade de tratamento onde está localizado o biodigestor. No primeiro estágio desta separação, o esgoto é encaminhado a uma peneira de gradeamento, onde uma parte dos sólidos é retida. Em seguida, o efluente passa por uma caixa de areia, equipada com drenos laterais, por onde o material retido é descartado. O próximo estágio deste pré-tratamento compreende a medição da vazão do efluente, por meio de uma Calha Parshall, sendo então armazenado numa caixa de acúmulo e bombeado até o biodigestor. Entre o espaço percorrido pelo efluente após seu bombeamento e a secção de entrada no biodigestor, encontra-se ainda um outro sistema de medição de vazão, mostrado na figura 1, que determina a vazão real de efluente admitida no biodigestor. Esta etapa, conforme será abordado nos itens subseqüentes deste trabalho, possivelmente interfere na composição o biogás gerado. Na figura 2 é apresentado o biodigestor empregado no projeto. Fonte: CENBIO, Figura 1 Medidor de vazão.

4 Fonte: CENBIO, Figura 2 Biodigestor modelo UASB, localizado no CTH. 4.2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE BIODIGESTÃO O biogás trata-se de uma mistura gasosa combustível, resultante da fermentação anaeróbia de matéria orgânica, que consiste no lodo, no caso de sistemas de tratamento de esgoto. Segundo JORDÃO e PESSOA (1995), o lodo é um sub-produto sólido, gerado no tratamento dos esgotos (junto com sólidos grosseiros, areia e escuma), representando a maior parcelas entre todos eles, sendo o substrato que deve receber maior importância em relação a seu tratamento, chamado tratamento da fase sólida, também incluindo sua disposição final. A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato (matéria orgânica a digerir). De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa. A formação do biogás envolve, basicamente, três etapas, sendo elas a fermentação, a acetogênese e a metanogênese. O processo de fermentação envolve ainda outras duas etapas, a hidrólise e a acidogênese. A primeira converte a matéria orgânica em moléculas menores pela ação de bactérias hidrolíticas, que transformam proteínas em peptídeos e aminoácidos, polissacarídeos em monossacarídeos, gorduras em ácidos graxos, pela ação de enzimas extracelulares, como a protease, a amilase e a lipase. Em seguida, durante a acidogênese, as bactérias fermentativas transformam esses produtos em ácidos solúveis (ácido propiônico, butírico e fórmico, por exemplo), álcoois e outros compostos. Também atuam as chamadas bactérias do ácido fórmico que degradam as moléculas orgânicas solúveis em dióxido de carbono (CO 2 ), gás hidrogênio (H 2 ) e ácido acético (CH 3 COOH) que serão utilizados pelas bactérias metanogênicas na última etapa do processo de formação de metano.

5 Uma vez encerrada a fermentação tem início a acetogênese, etapa onde atuam bactérias facultativas, capazes de agir, tanto em meio aeróbio, quanto anaeróbio. O oxigênio necessário para efetuar essas transformações é retirado dos compostos que constituem o material orgânico, não necessitando estar no ar. As bactérias acetogênicas transformam os produtos obtidos na primeira etapa (ácido propiônico e butírico, por exemplo) em ácido acético (CH 3 COOH), hidrogênio (H 2 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). A última etapa na produção do biogás, a metanogênese, é a formação de metano, onde atuam obrigatoriamente bactérias anaeróbias e extremamente sensíveis a mudanças no meio, como temperatura e ph. As bactérias metanogênicas transformam o hidrogênio (H 2 ), o dióxido de carbono (CO 2 ) e o ácido acético (CH 3 COOH), obtidos tanto na etapa fermentativa quanto na etapa acetogênica, em metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). 5. ESTÁGIO ATUAL DO PROJETO DE APROVEITAMENTO DO BIOGÁS 5.1 RESULTADO DAS ANÁLISES EFETUADAS Conforme citado anteriormente, determinar a composição química do biogás é essencial para que possa ser estimado o potencial de geração de eletricidade. Para isso, foi solicitada à COMGÁS a realização de duas análises até a presente data, sendo o resultado da primeira apresentado na tabela 1. Compostos Químicos %Vol da 1ª análise do biogás %Vol do biogás em geral H 2 (Hidrogênio) 0,000% 1 a 2% O 2 (Oxigênio) 0,00236% 0.1 a 1% N 2 (Nitrogênio) 15,08615% 0.5 a 2.5% CO 2 (Dióxido de Carbono) 6,12158% 25 a 40% CH 4 (Metano) 78,77848% 50 a 80% NC4 (n-butano) 0,00253% IC5 (iso pentano) 0,00015% NC5 (n-pentano) 0,00025% C6+ (hexano e superiores) 0,00020% H 2 S (Sulfeto de Hidrog.) 0,0083% 1 a 2% Soma 100,000% 100% Fonte: COMGÁS, Tabela 1 Resultado da 1ª análise físico-química do biogás. Verificando o resultado da 1ª análise emitido pela COMGÁS e comparando-o com a composição geral do biogás, observamos que houve, de alguma maneira, uma contaminação na amostra coletada, pois alguns valores encontram-se fora do padrão, como é o caso das concentrações de nitrogênio (N 2 ), hidrogênio (H 2 ) e

6 dióxido de carbono (CO 2 ). Além disso, também foi detectada a presença de hidrocarbonetos, que não fazem parte da composição do biogás, tais como n-butano, iso-pentano, n-pentano, hexano e superiores. Por esta razão, uma nova análise foi solicitada. Porém, antes da realização da segunda análise algumas modificações foram efetuadas no biodigestor. Visando garantir a desobstrução da passagem do biogás gerado, foi realizada uma limpeza do equipamento. Os vazamentos detectados foram eliminados através da instalação de uma peça, que além da vedação também proporcionou um alongamento na secção de captação do biogás gerado. Esta medida confere maior segurança para todos os equipamentos do sistema de geração de eletricidade a serem instalados, pois evita que a escuma, resíduo gerado no processo de biodigestão, seja transportada para a tubulação de gás, impedindo possíveis entupimentos. Após a implementação destas medidas foi realizada a segunda análise da composição do biogás, cujos resultados são apresentados na tabela 2. Compostos Químicos %Vol da 1ª análise do biogás %Vol do biogás em geral H 2 (Hidrogênio) 0,000% 1 a 2% O 2 (Oxigênio) 0,068% 0.1 a 1% N 2 (Nitrogênio) 44,988% 0.5 a 2.5% CO 2 (Dióxido de Carbono) 3,308% 25 a 40% CH 4 (Metano) 51,636% 50 a 80% NC4 (n-butano) 0,000% IC5 (iso pentano) 0,000% NC5 (n-pentano) 0,000% C6+ (hexano e superiores) 0,000% H 2 S (Sulfeto de Hidrog.) 0,000% 1 a 2% Soma 100,000% 100% Fonte: COMGÁS, Tabela 2 Resultado da 2ª análise físico-química do biogás. Comparando novamente o resultado da segunda análise emitido pela COMGÁS com a composição geral do biogás, observamos que, ainda assim, com a nova estrutura instalada na saída do biogás, houve contaminação na amostra coletada. Por esta razão, o biodigestor passou por uma avaliação de operação, quando foi identificada uma possível razão da contaminação, durante a passagem do efluente pelo segundo medidor de vazão, onde o contato com o ar provoca o arraste de nitrogênio, o que aumentou a participação deste componente no biogás, conforme se verifica nas as tabelas 1 e 2. Para sanar este problema, esse medidor de vazão será substituído por um hidrômetro.

7 5.2 PRÓXIMAS ETAPAS Os equipamentos a serem instalados no projeto, incluindo o sistema de captação, purificação e armazenamento do biogás já estão definidos, restando dimensioná-los de acordo com a vazão real do biogás, sendo que, para isso, já foi adquirido equipamento necessário, porém ainda não instalado. Também já se encontra em fase de autorização pela COESF (Coordenadoria do Espaço Físico da Universidade de São Paulo) a execução da obra civil necessária para abrigar os equipamentos empregados no processo de geração de eletricidade, tais como filtro de limalha de ferro, que visa a remoção o H 2 S presente no biogás e um gerador ciclo Otto, escolhido como tecnologia de conversão. Também será necessária a construção de um gasômetro para o armazenamento do biogás, cujo dimensionamento encontra-se em fase de execução, sendo realizado em acordo com a vazão real de biogás gerado. Também em função deste dimensionamento será determinado o tempo de operação do motor. A figura 3 ilustra os equipamentos que farão parte do sistema de aproveitamento do biogás como combustível para geração de energia elétrica, cuja identificação encontra-se na tabela Fonte: CENBIO, Figura 3 Fluxograma da instalação dos equipamentos.

8 Equipamento Número Quantidade Hidrômetro 1 1 Biodigestor 2 1 Tubulação 3 1 Válvula de segurança 4 1 Ponto de coleta do biogás 5 2 Sensor de temperatura 6 1 Medidor de pressão 7 1 Medidor de vazão 8 2 Purificador do biogás 9 1 Válvula esfera 10 2 Gasômetro 11 1 Grupo motor-gerador 12 1 Fonte: CENBIO, Tabela 3 Descrição dos equipamentos da instalação. 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS O cumprimento do objetivo estabelecido pelo PUREFA em incrementar a participação de fontes alternativas de energia na matriz energética da Universidade de São Paulo, não somente reafirma seu papel no planejamento energético da Universidade, como também permite que sejam direcionadas políticas, visando também incrementá-las na Matriz Energética Nacional. No caso da biomassa, além das questões técnicas, é importante ressaltar que seu emprego, conforme proposto neste trabalho, permite agregar valor ao sistema de tratamento de efluentes realizado por meio da biodigestão, podendo inclusive incentivar novas instalações de tratamento de esgoto. Este aspecto trata-se de uma importante contribuição social que pode ser estendida a outras regiões do país, caso seja possível replicar este projeto. Neste contexto, os resultados finais obtidos poderão fornecer subsídios para que a análise de viabilidade de projetos desta natureza seja realizada, o que pode ser considerado bastante relevante, pois concilia o tratamento de água, recurso cuja disponibilidade tem sido alvo de uma crescente preocupação mundial e a geração de energia elétrica.

9 8. BIBLIOGRAFIA ALVES, J.W.S.. "Diagnóstico Técnico Institucional da Recuperação e Uso Energético do Biogás Gerado pela Digestão Anaeróbia de Resíduos" in Dissertação de Mestrado, PIPGE/USP, CAMPOS, J. R. et alli(1999). Tratamento de Esgotos Sanitários por Processo Anaeróbio e Disposição Controlada no Solo. Ed. PROSAB, Abes, Rio de Janeiro, p CENBIO. "Geração de Energia a Partir do Biogás Gerado por Resíduos Urbanos e Rurais" in Nota Técnica VII, São Paulo, CENBIO. Biodigestor Modelo UASB in Relatório de Acompanhamento, São Paulo, Setembro de CENBIO. Fluxograma do Processo de Instalação dos Equipamentos do Projeto PUREFA in Relatório de acompanhamento, São Paulo, Setembro de CENBIO/SABESP, Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto in Primeiro relatório técnico, São Paulo, Abril de CETESB. "Inventário Brasileiro de Gás Metano Gerado por Resíduos in Relatório dos Bancos de Dados de Resíduos Sólidos e Efluentes Líquidos, São Paulo, Setembro de CONGAS. Certificado da Análise do Biogás in Relatório de Ensaio, São Paulo, CHERNICHARO, C. A. L.. Reatores Anaeróbios. Ed. SEGRAC, Belo Horizonte, 246 p FERNANDEZ, E. et MONTALVO, S. J.. Biological Method for Removal of H 2 S from Biogas. Ed. Fifth Latin-American workshop seminar Wastewater anaerobic treatment, Chile, GOLDEMBERG, J. Energia, Meio Ambiente & Desenvolvimento Ed. Edusp, 2 a Edição JORDÃO, E. P. et PESSOA, C. A. Tratamento de Esgotos Domésticos in Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, 3 ed., Rio de Janeiro, 1995.

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