4º Congresso de Cogeração de Energia Geração de energia elétrica a partir de biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando microturbina a gás Vanessa Pecora Garcilasso Edgardo Vescovo São Paulo, 29 de Março de 2012
Biogás Conjunto de gases formado na degradação da matéria orgânica em meio anaeróbio Digestão Anaeróbia: Processo fermentativo, sem a presença de oxigênio, em que a matéria orgânica é degradada a compostos mais simples, formando, basicamente, metano e gás carbônico.
Composição Média do Biogás COMPONENTE QUANTIDADE Metano 60% Dióxido de Carbono 35% Outros Gases Hidrogênio, Nitrogênio, Oxigênio, Amônia, Ácido Sulfídrico, Aminas Voláteis e Monóxido de Carbono 5% Fonte: WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000 Metano: cerca de 21 vezes mais impactante que o CO 2
Geração de energia com biogás de tratamento de efluentes Tecnologia disponível comercialmente Turbinas a gás para biogás: Microturbinas (30 kw 100 kw): Rendimento: 27% Emissões de N0x : máx de 9 ppm (Capstone) Microturbinas para biogás Capstone Turbines
Microturbinas a Gás Exaustão Painel de controle Microturbina Entrada de ar Entrada de combustível 0-30; 0-60 kw 400-480 VAC/DC Controlador de potência
Microturbinas a Gás no Mundo Burnbanks Landfill (Burbanks Department of Water and Power) 10 turbinas de 30 kw = 300 kw (gás de aterro) Venda de energia para a rede US$ 550.000 US$ 1.800/kW US$ 250.000 doado pela California Energy Comission Foto CENBIO 2001
Microturbinas a Gás no Mundo ETE San Diego - San Elijo Joint Powers Authority 3 turbinas de 30 kw (demanda de até 550 kw pico) Biogás = 2.150 m3/dia Esgoto = 140 l/s Custo total =US$ 240.000 (2.666 US$/kW) Doações = US$ 105.000: Califórnia Energy Comission = US$ 25.000 Public Utility Comission = US$ 80.000
Comparação das Emissões Comparação das emissões entre as tecnologias de conversão pequeno porte Dados levantados projeto Enerbiog-Finep Potência Rendimento Emissões de NOx Motores ciclo Otto 4 kw 1,54 MW 30% 40% 250 ppm 3.000 ppm Microturbinas 30 kw 1 MW 24% - 28% < 9 ppm Fonte: CENBIO, 2003
Microturbinas a Gás Vantagens As microturbinas apresentam os seguintes benefícios: - Baixos níveis de ruídos e vibrações - Flexibilidade de combustível, dentre eles o biogás - Dimensões reduzidas e simplicidade de instalação, podendo ser instalada em locais cobertos ou ao ar livre -Emissões de NOx são menores que 9 ppm nas microturbinas de baixa potência (30 a 100 kw) e podem chegar a 100 ppm nas de maior potência - Baixo custo de operação e manutenção: 3 a 10 US$/MWh / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh
Microturbinas a Gás Desvantagens - Equipamentos importados: investimento inicial elevado. As potências hoje disponíveis no mercado variam de 30 kw a 1,0 MW - Baixo rendimento: aproximadamente 27%. Porém, quando utilizadas em instalações de cogeração, sua eficiência pode chegar a mais de 80% - Alto custo de instalação (valores não incluem sistema de tratamento e compressão do biogás): 1.000 1.500 US$/kW / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh - Necessidade de um rígido sistema de limpeza do biogás e remodelação da microturbina para sua queima, já que o biogás possui baixo poder calorífico
Microturbinas a Gás Custo do equipamento (30 kw) para utilização com biogás: ~ R$ 140.000,00 Custo mensal de manutenção: ~ R$ 5.000,00 (incluindo os serviços e as peças de reposição para 10 anos de operação do equipamento) Custo do sistema de tratamento do biogás: ~ R$ 70.000,00 Custo médio da energia elétrica: 0,40 R$/kWh Considerando o custo acima para produção de energia de 219.000 kwh e economia anual de R$ 91.104,00, tem-se retorno de investimento em aproximadamente 6 anos (considerando os custos de manutenção) Dados enviados pela Capstone em Agosto de 2011
Geração de Energia Elétrica a partir do Biogás de Tratamento de Esgoto da ETE da SABESP em Barueri
ETE da Sabesp de Barueri Dados Técnicos (2005): Quantidade de Esgoto Tratado = 7,0 m 3 /s Produção Média de Biogás = 24.000 m 3 /dia Demanda energética da ETE = 9 MW Consumo de Energia Elétrica = 5.584 MWh/mês (2005) Projeto FINEP - Testes comparativos das tecnologias adaptações dos sistemas de limpeza do gás levantamento dos dados técnicos levantamento de custos operacionais e de manutenção Equipamentos instalados (projeto) Microturbina: 30 kw Motor ciclo Otto: 30 kw
MONTAGEM DA PLANTA PILOTO NA ESTAÇÃO DE BARUERI MICROTURBINA CAPSTONE (30 kw)
Inauguração
TECNOLOGIA EMPREGADA Secador por Refrigeração 1 Válvula Esfera 2 Filtro de Carvão Ativado Compressor de Palhetas Válvulas Esfera 3 e 4 Secador por Refrigeração 2 Válvulas Esfera 5 e 6 Filtro Coalescente 1 Separador de Líquido com Dreno Filtro Coalescente 3 Sensor de Temperatura 1 Sensor de Pressão 1 Plug Reserva 3 Plug Reserva 2 Filtro Coalescente 2 Sensor de Pressão 2 Medidor de Vazão Filtro de Gás Plug Reserva 4 e 5 Saída do Gás de Exaustão Plug Reserva 1 Manômetro Sensor de Temperatura 2 Válvula Reguladora de Pressão Sensor de Pressão 3 Sensor de Temperatura 3 Microturbina Capstone Tubulação de Aço Inox Rígida Válvula Esfera 1 Tubulação de Aço Inox Flexível
Equipamentos SECADOR POR REFRIGERAÇÃO COMPRESSOR
OPERAÇÃO DA PLANTA PILOTO NA ESTAÇÃO DE BARUERI MICROTURBINA CAPSTONE (30 kw)
MOTOR CICLO OTTO 30 kw PARA COMPARAÇÃO Grupo Gerador (Motor Ciclo Otto)
Comparação dos resultados das análises do biogás com as especificações definidas pelo fabricante Capstone Variante Unidade Capstone Barueri Observações O 2 % Volume 0 10 0,00-6,30 Aprovado N 2 % Volume 0 50 0,22-23,8 Aprovado CO 2 % Volume 0 50 25,0-33,3 Aprovado CH 4 % Volume 30 100 44,1-69,94 Aprovado H 2 S ppm em vol. 0 70.000 19-230 Aprovado H 2 O (P.O.) % Volume 0 5 0,1-2,8 Aprovado P.C.I. kj/m 3 13.800 27.605 14.715-23.852 Aprovado Fonte: CENBIO, 2003
Investimentos/custos operacionais Dados levantados Geração com Microturbina de 30 kw: > Energia elétrica (média) gerada : 25 kwh > Energia elétrica líquida entregue à rede (perdas compressor e secadores): 19,5 kwh > Equipamentos: 151.046,40 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 96.806,00 (R$) > Relação custo por kw instalado: 0,32 R$/kWh Geração com Motor Ciclo Otto de 30 kw: > Energia elétrica (média) gerada : 25 kwh > Energia elétrica líquida entregue à rede: 25 kwh > Equipamentos: 68.000,00 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 25.816,00 (R$) > Relação custo por kw instalado: 0,10 R$/kWh
Viabilidade Econômica da Utilização de Biogás Geração de parte da energia consumida nos processos (diminuição da energia comprada da concessionária local) Além da geração de energia elétrica, o biogás pode ser utilizado para a geração de energia térmica e o calor gerado pode ser utilizado no aquecimento dos próprios biodigestores (cogeração) Venda de excedente de energia viabilidade depende da tarifa e do preço de venda à concessionária Obtenção e comercialização de créditos de carbono impacto reduzido na economicidade do processo (matriz elétrica brasileira com base em hidroeletricidade)
4º Congresso de Cogeração de Energia Obrigado! Vanessa Pecora Garcilasso Edgardo Vescovo São Paulo, 29 de Março de 2012