I Simpósio Internacional de Ciências Integradas da Unaerp Campus Guarujá Biodigestor Rural Carlos Augusto Siqueira da Cunha Júnior Mestrando Universidade de São Paulo Osvaldo Rein Júnior Mestrando Universidade de São Paulo Humberto Lemos Figueiredo Professor Unaerp RESUMO O escopo deste trabalho visa a utilização do Biodigestor Rural, como uma solução de desenvolvimento sustentável. Outro aspecto importante que o Biodigestor Rural atende é o programa luz no campo para propriedades isoladas. Propriedades estas que não dispõem de rede elétrica devido aos altos custos de expansão das linhas de transmissão. O Biodigestor Rural está aderente ao processo de certificação ISO 14001, visto que, o meio ambiente é preservado, e a matéria prima utilizada, dejetos de animais e água, produzem: 1) o biogás utilizado como energia; 2) o biofertilizante usado como adubo nas pastagens gerando alimento necessário na criação do gado. O excremento gerado pelo próprio rebanho, será reutilizado como insumo no biodigestor, promovendo assim, um ciclo fechado de insumos e produtos, vitais na manutenção contínua desta alternativa de desenvolvimento sustentável. Palavras-chave: Biodigestor Biofertilizante Biogás Seção 1: Curso de Análise de Sistemas Apresentação: oral 1. Motivação do Trabalho 1.1. Desenvolvimento Sustentável O crescimento demográfico mundial e as técnicas de produção atuais evidenciam o fato dos recursos naturais e os serviços derivados deles não 1
serem ilimitados, e que sua escassez ou esgotamento constituem uma séria ameaça ao bem-estar presente e ao futuro da humanidade. A importância dos recursos naturais é fundamental para a sobrevivência humana. Principalmente considerando-se que apesar de todo o desenvolvimento tecnológico até aqui alcançado, ainda não existem condições de substituir completamente os elementos extraídos ou fornecidos pela natureza. A população da terra atingiu 6 (seis) bilhões de habitantes. Isto representou um vertiginoso aumento da demanda por produtos e serviços. Mesmo que fossem mantidas as taxas de crescimento econômico deste ciclo de desenvolvimento isto determinará uma forte pressão sobre os meios de produção, com destaque para a energia. Após a década de 70, passamos a tomar consciência, do fato de que as raízes dos problemas ambientais deveriam ser buscadas nas modalidades de desenvolvimento econômico e tecnológico e de que não seria possível confrontá-los sem uma reflexão e uma ação sobre essas modalidades de desenvolvimento adotadas. Isto levou a humanidade a repensar a sua forma de desenvolvimento essencialmente calcada na degradação ambiental e fez surgir uma abordagem de desenvolvimento sob uma nova ótica, conciliatória com a preservação ambiental e denominada de desenvolvimento sustentável. O conceito de desenvolvimento sustentável foi cunhado inicialmente pelo relatório da Brundtland Comission, em 1987, intitulado Nosso Futuro Comum. Este relatório foi produto da Comissão Mundial das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento, que se concentrou no desenvolvimento sustentável como aquele que utiliza os recursos naturais sem comprometer a capacidade das gerações futuras atenderem as suas necessidades. Em resumo, ele representa o equilíbrio do crescimento econômico com a preservação ambiental. Isto pode envolver a implantação da prevenção à poluição, a redução do uso de substâncias tóxicas e do desperdício e a desaceleração do esgotamento de recursos não renováveis. 1.2. Agenda 21 e ISO 14001 Em 1992, a Conferência de Meio Ambiente e Desenvolvimento das Nações Unidas no Rio de Janeiro, tinha como objetivo discutir temas ambientais globais e sugerir soluções potenciais. Dois importantes resultados desta conferência foram a Agenda 21 e as normas da série ISO 14000. A agenda 21 estabelece orientações abrangentes para alcançar a sustentabilidade, na ocasião, suas diretrizes foram adotadas por 172 nações. A ISO 14001 como a Agenda 21, estabelecem procedimentos para gerenciamento ambiental e prevenção da poluição, sendo concebida como uma ferramenta gerencial para alcançar o desenvolvimento sustentável. Os dois instrumentos são de grande valia para a gestão ambiental, enquanto a Agenda 21 permite uma atuação numa macro visão, 2
através do estabelecimento de diretrizes gerais, a ISO 14001 apresenta importante função dentro de um contexto micro organizacional. 2. Introdução O desenvolvimento do projeto de um Biodigestor Rural tem como principais objetivos levar energia às propriedades rurais, diminuindo o êxodo rural, promovendo melhores condições de vida no campo com mais conforto e saúde. Para tanto, faz-se necessário determinar a quantidade mínima de energia necessária para atender às necessidades básicas dos moradores na propriedade/comunidade rural e quantificar os materiais orgânicos disponíveis na propriedade/comunidade que alimentará o Biodigestor. Em função da disponibilidade dos materiais orgânicos, principalmente, excrementos e dejetos animais e da necessidades básicas da propriedade/comunidade em termos de energia, construir um ou mais Biodigestores. O estudo da viabilidade da instalação de um ou mais Biodigestores se dá em função do tipo e, a partir daí, faz-se um levantamento comparativo dos custos envolvidos considerando: Se não existe energia elétrica na propriedade/comunidade rural devemos determinar a distância mínima entre a propriedade/comunidade e o ponto onde exista a linha de distribuição da concessionária; levantar o custo médio por km para levar energia elétrica até a propriedade/comunidade; levantar o custo médio de um biodigestor por m³ de biogás produzido; fazer o levantamento do custo médio de uma microturbina para transformar biogás em energia elétrica. Se existe eletrificação rural no local da propriedade/comunidade devemos levantar o custo do biogás para aproveitamento natural para aquecimento, cozimento, uso em lampiões, uso em geladeiras a gás, etc. É importante salientar que o aproveitamento do biofertilizante, o qual nada mais é do que um dos subprodutos gerados pelo biodigestor, em adubação rende 10% mais que o uso de dejetos ou excrementos in natura. Todo esse trabalho visa a melhoria das condições de vida do homem do campo, oferecendo a ele conforto e a segurança de um desenvolvimento sustentável. 3. Conceitos Antes de iniciarmos nossa discussão precisamos definir os seguintes termos: Biomassa: é a matéria orgânica de origem animal ou vegetal, tais como: esterco (bovino, suíno, ave, eqüino, etc.), restos de cultura (cascas de arroz, milho, soja, palha de trigo, bagaço de cana, etc.), capim, restos de alimentos, 3
resíduos de alimentos, resíduos da industrialização ou classificação de produtos vegetais e animais, esgoto residencial, plantas aquáticas (aguapé, baronesa, jacinto, etc.), resíduos florestais, etc. Biodigestor: é o meio ou o aparelho que utiliza a biomassa para produção do biogás e do biofertilizante. Biogás: é o gás produzido a partir da fermentação da matéria orgânica por bactérias aeróbias e, posteriormente, anaeróbias onde há a transformação do amido contido nessa matéria em gases como, por exemplo, dióxiodo de carbono - CO2, metano - CH4, hidrogênio H2, sulfeto de hidrogênio H2S, nitrogênio - N, etc. Biofertilizante: é o segundo produto final do biodigestor, é um adubo de excelente qualidade e são os resíduos descarregados depois do processo de produção do biogás. 4. Biodigestor Rural 4.1. Tipos Existem dois tipos de biodigestores: os de produção contínua e os de produção descontínua. 1. Produção contínua: mantêm uma produção de gás e biofertilizante por um longo período sem que haja a necessidade de abertura do equipamento. A alimentação e a retirada do biofertilizante ocorre diariamente. 2. Produção descontínua: ou de batelada, depois de carregados e hermeticamente fechados não mais serão abastecidos até o término da fermentação que é quando cessa a produção do biogás. Após o término da fermentação, o biodigestor deve ser limpo e novamente carregado para novo ciclo de produção de biogás, nesse caso recomenda-se a construção de pelo menos duas unidades de Biodigestores. Os biodigestores, tanto do modelo indiano, Fig. 1, como do modelo chinês, Fig. 2, são de produção contínua. 4
Fig. 1. Biodigestor Modelo Indiano 5
Fig. 2. Biodigestor Modelo Chinês 4.2. Biodigestão 4.2.1. Fases do Processo O processo de biodigestão segue as seguintes fases 1. Reações enzimáticas: transformação de compostos orgânicos complexos em compostos mais simples ( produtos amiláceos açucares) 2. Ação do oxigênio e bactérias: formação de compostos de cadeia simples e solúveis na água. 3. Ataque bacteriana: transformação de açucares em álcoois ácido acético (predomínio da ação aeróbia) 4. Fase ácida mista: ações das bactérias aeróbias e anaeróbias 5. Fase anaeróbia neutra: biomassa composta de húmus, soluções coloidais e soluções moleculares ionizadas. DBO (Demanda Biológica de Oxigênio) é mínima (tende a zero) 6. Fase de oxigenação ou aeração: redução ou eliminação de DQO (Demanda Química de Oxigênio) 4.2.2. Condições ideais para o processo O local escolhido para a instalação do biodigestor deve ser bastante arejado, tanto por motivo segurança, como para evitar odores (nesse caso deve-se observar também a direção do vento). Deve ser evitado a incidência direta da luz do sol, em lugares muito frios deve ser providenciado uma cobertura para a câmara de fermentação, podendo ser de isopor ou outro material isolante térmico, para evitar a perda de calor, pois, choques térmicos podem prejudicar o processo. A temperatura interna do Biodigestor deve estar, sempre, entre 35 C e 45 C, pois, as bactérias produtoras de metano são muito sensíveis as mudanças de temperatura. Em clima tropical, onde a temperatura é praticamente constante, com média acima de 20 C, os Biodigestores dispensam sistemas adicionais para 6
aquecimento. Entretanto, em regiões onde a temperatura cai durante um certo período do ano, esses sistemas de aquecimento são necessários. O aquecimento do biodigestor pode ser feito via interna, externa e/ou chama direta. O próprio gás pode e deve ser utilizado para o aquecimento. Ao se utilizar um sistema de aquecimento deve-se fazer uma análise entre a quantidade de calorias gasta para elevar-se a temperatura a um certo nível e a quantidade de gás produzida pelo efeito dessa elevação de temperatura. Caso o incremento na produção de biogás seja inferior, igual ou levemente inferior às calorias gastas no processo, o sistema de aquecimento torna-se inviável. A decomposição de matéria orgânica na presença de oxigênio gera CO2 na ausência dele produz CH4. Portanto, da perfeita vedação do biodigestor depende a produção do biogás. Normalmente, o teor de água situa-se em torno de 90% do peso total do conteúdo do Biodigestor. O tempo médio necessário para o início da produção do biogás varia entre 20 e 30 dias. Uma vez iniciada, a produção se prolonga por um período de 25 a 40 dias. 4.2.3. Proporção do Material Orgânico O esterco fresco deve ser diluído na proporção de 4 partes de esterco para 5 de água. Outros materiais orgânicos devem ser diluídos na proporção de 1:1 em volume. 4.2.4. Características e Propriedades dos Produtos Gerados Como produtos da biodigestão temos o biogás, cujos principais componentes são o gás metano CH4, com valores médios na ordem de 55% a 65%, e o dióxido de carbono - CO2 - com aproximadamente 35% a 45% de sua composição. O biofertilizante corresponde a 100% do material orgânico restante mais água 1. Biogás: é altamente inflamável, não possui cor, cheiro ou gosto e possui um poder calorífico entre 5000 e 7000 kcal/m³ podendo substituir o GLP, lenha e carvão. Por ser extremamente inflamável, oferece condições para uso em fogão doméstico, em lampião, como combustível para motores de combustão interna, em geladeiras, em chocadeiras, em secadores de grãos ou secadores diversos e geração de energia elétrica. 1 m 3 de biogás corresponde a: 1,5 m 3 de GLP 1,3 litros de álcool 7
2,7 kg de madeira 0,8 litros de gasolina 7 kwh de eletricidade 1,4 kg de carvão 2. Biofertilizante: possui efeitos, tais como fito hormonal, fungistático, bacteriostático, de repelência contra insetos, nematecida e acaricida. Agindo, portanto, como um protetor natural das plantas cultivadas, contra doenças e pragas, consequentemente, com menos danos a ecologia e sem perigo para a saúde humana. 4.3. Viabilidade Econômica Para análise da Viabilidade Econômica para a construção de um Biodigestor, devemos considerar: 1. Custos e benefícios 1 Microturbina custa R$ 1.000,00 / kva. 1 Motor a gás custa R$ 1.000,00 / kva. 1 Biodigestor custa R$ 10.000,00 / 30 botijões de 13 kg de GLP. O Biofertilizante tem o custo zero. O saneamento é um benefício não quantificável. O Biodigestor minimiza o impacto ao meio ambiente, pois contribui na diminuição da poluição dos mananciais (rios) pelo lançamento de dejetos que serão aproveitados para produção do biogás e biofertilizante O custo médio por km de uma linha de distribuição para eletrificação rural é da ordem de R$ 6.500,00. A Energia Elétrica custa R$ 120,28/MWh. 1 botijão de 13 kg de GLP custa R$ 30,00. O Adubo químico é de custo elevado (caro). Defensivos agrícolas (inseticidas) é de custo elevado. Gostaríamos de salientar que para efeito desta análise os custos apontados anteriormente, foram levantados em Nov/2002. 2. A necessidade diária de biogás Tabela I utilização m 3 razão Iluminação 0,07-0,12 lampião/hora Cozimento 0,23-0,45 pessoa/dia Geladeira 2,00-2,50 dia Chuveiro a gás 0,80 pessoa/banho Gerar Eletricidade (1 kwh) 0,42 Hp/hora Aquecer água a 100ºC 0,08 litros Tabela. I Necessidade diária de biogás 8
Valor Investido / Retorno Para produção de 1 m 3 de biogás é necessário: 25 kg de esterco de vaca, ou 5 kg de esterco seco de galinha, ou 12 kg de esterco de porco, ou 25 kg de palha. A produção equivalente a 1 botijão de 13 kg de GLP por dia necessita de um Biodigestor com capacidade para 20 m 3 de dejetos, e custa em média R$ 10.000,00 (dez mil reais). Verificando as informações da Tabela I, podemos dizer que uma família com 5 pessoas necessita de 10 m 3 de biogás/dia para cozinhar, aquecer água para o banho, acender 5 lampiões de camisinha e manter funcionando uma geladeira de 300 litros. Para suprir essa demanda de biogás serão necessários: 250 kg de esterco fresco de vaca e 250 litros de água, obtendo 500 kg de biofertilizante (ou 50 kg de esterco de galinha, ou 120 kg de esterco de suíno). Por outra ótica, podemos considerar, que esta família consuma 150 kwh e 1 botijão de 13 kg de GLP por mês, teríamos então o seguinte custo: Custo de energia elétrica por mês de R$ 25,00. Custo do botijão de 13 kg de GLP por mês de R$ 30,00. A necessidade de biogás neste caso seria: Consumo de biogás equivalente (1 kwh eqüivale a 0,42 m 3 de biogás): 63 m 3 Consumo de biogás para aquecimento e cozimento (5 pessoas) é: (0,45 * 5 * 30 + 0,8 * 5 * 30) = 187,5 m 3. Consumo total: 250 m3 de biogás. A Fig. 3, mostra que o investimento feito no biodigestor (R$ 10.000,00) para produção do gás metano (componente do biogás), que é equivalente a produção de 30 botijões de 13 kg de GLP no valor total de R$ 900,00 ao mês, teria seu investimento totalmente pago a partir do primeiro ano de sua produção. A partir deste momento todo o biogás produzido basicamente é lucro, visto que o custo de manutenção do biodigestor é irrelevante. Viabilidade de Gás Metano/Gás Cozinha R$ 20,000.00 R$ 18,000.00 R$ 16,000.00 R$ 14,000.00 R$ 12,000.00 R$ 10,000.00 R$ 8,000.00 R$ 6,000.00 R$ 4,000.00 R$ 2,000.00 R$ 0.00 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Período ( Meses) Custo de Implantação Valor de Gás Produzido 9
4.4. Vantagens e Desvantagens Fig. 3. Biogás versus Gás de Cozinha O a utilização do Biodigestor apresenta uma série de benefícios referentes ao desenvolvimento sustentável: Diminuição da emissão de gás do efeito estufa CO2. Uso de energia renovável. Aproveitamento dos dejetos poluentes para transformar em energia e adubo de excelente qualidade. Uso do biofertilizante diminui a erosão pela retenção de água da chuva Eliminação do cheiro desagradável, moscas e parasitas (saneamento, benefício não quantificável). Substituição do uso de gasolina por biogás em motores estacionários de pequena potência. As desvantagens são: o trabalho de manutenção diária tanto para alimentação do Biodigestor com excremento ou dejetos ou outros materiais orgânicos, quanto para retirada do biofertilizante e do biogás, a durabilidade da campânula metálica (em média 5 anos), o custo da energia elétrica em muitos casos é mais competitivo que o uso do biodigestor (custo da energia elétrica subsidiada). O custo dos derivados do petróleo é menor em relação ao do biogás produzido (pode-se no futuro inverter esta situação). 5. CONCLUSÕES Dentre os benefícios da utilização de um biodigestor rural podemos citar o atendimento das exigências para um desenvolvimento sustentável, a minimização do êxodo rural, melhoria na renda familiar, aproveitamento dos produtos poluentes transformando-os em produtos de qualidade, o uso do biofertilizante aumenta a produtividade da lavoura tanto em quantidade como em qualidade, aumenta a oferta de trabalho no campo, melhora a saúde dos moradores na zona rural e atende ao programa luz no campo para propriedades isoladas. O Biodigestor Rural está aderente ao processo de certificação ISO 14001, visto que, o meio ambiente é preservado, e a matéria prima utilizada, dejetos de animais e água, produzem: 1) o biogás utilizado como energia; 2) o biofertilizante usado como adubo nas pastagens gerando alimento necessário na criação do gado. O excremento gerado pelo próprio rebanho, será reutilizado como insumo no biodigestor, promovendo assim, um ciclo fechado de insumos e produtos, vitais na manutenção contínua desta alternativa de desenvolvimento sustentável. 10
Há contudo alguns fatores limitantes à instalação de biodigestores, se a sua utilização for para transformação do biogás em eletricidade e a linha de distribuição for menor que 5 km o uso do biodigestor torna-se economicamente inviável. A quantidade de material orgânico disponível para alimentar o biodigestor também deve ser considerada. 6. Referência Bibliografia [1] Espinosa, H. R. M. Desenvolvimento e meio ambiente sob nova ótica. Ambiente, vol. 7,n. 1, p. 40-44, 1993. [2] Reis, Maurício J. L. ISO 14000:gerenciamento ambiental: um novo desafio para a sua competitividade. Rio de Janeiro: Qualitymark Ed. 1995. [3] Godart, O. Gestão integrada dos recursos naturais e do meio ambiente: conceitos, instituições e desafios de legitimação. In: Gestão de recursos naturais renováveis e desenvolvimento: Novos Desafios para a Pesquisa Ambiental. Organizadores: Paulo Freire Vieira e Jacques Verber, São Paulo: Cortez, 1996, p. 201-266. [4] Tibor, Tom. ISO 14000: um guia para as normas de gestão ambiental. São Paulo: Futura, 1996. [5] Haklik, J. E. ISO 14001 and sustainable development. Acessado em: 29/10/2004 - Disponível em : http:/www.trst.com/sustainable.htm [6] Revista Ciência Hoje, vol. 25 n.º 149 página 4 maio de 1998 [7] Biodigestor PE, Fonte Alternativa Energética e de Biofertilização Boletim Enfoque Edição 03 outubro/99 Acessado em: 29/10/2004 - Disponível em 29/10/2004: http://www.aondevamos.eng.br/boletins/edicao03.htm [8] Lucas Jr, Jorge de; Santos, Tânia M.B. Aproveitamento de Resíduos da Indústria Avícola para Produção de Biogás Simpósio sobre Resíduos da Produção Avícola 12 de abril de 2000 Concórdia, SC [9] Biodigestor Programa de Sustentabilidade Energética em Agroindústria e Zona Rural Desenvolvimento de Soluções e Aplicações. Acessado em: 29/10/2004 - Disponível em: http://www.green.pucminas.br/modules.php?name=content&pa=showpage&pid=8 [10] Unidade demonstrativa de Biodigestor Rural. Acessado em: 29/10/2004 - Disponível em: http://www.aondevamos.eng.br/projetos/projeto01.htm [11] Montenegro, Alexandre de A. Fontes não-convencionais de Energia as tecnologias solar, eólica e de biomassa, 3 a edição Universidade Federal de Santa Catarina e Laboratório de Energia Solar/Núcleo de Controle Térmico de Satélites 2000 Florianópolis, SC [12] Reis, Lineu B.; Silveira, Semida Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável, 2 a edição, Editora da Universidade de São Paulo 2001 São Paulo, SP 11