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DAAD Scholz, ATB
- Curso Compacto Energias Renováveis no Meio Rural
BIOGÁS
Biogás
Dr.-Ing. Volkhard Scholz Instituto da Engenharia Agrícola (ATB) Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. Alemanha
Universidade Federal de Viçosa (UFV) com apoio do Serviço Alemão do Intercâmbio Acadêmico (DAAD) Deutscher Akademischer Austausch Dienst, Bonn
DAAD Scholz, ATB
Biogás
Biogás
Introdução Bases biológicas e físicas Rendimento da produção de biogás Tecnologias de biogás Resíduos da fermentação Máquinas de conversão de energia Economia e ecologia
DAAD Scholz, ATB
Introdução Classificação energética Classificação das matérias primas
Biogás
Situação da produção de biogás na Europa
Produção de energia da biomassa
DAAD
Classificação
Scholz, ATB
Energia na biomassa
Conversão termoquímica
Pirólise
Combustão
Biogás
H2 CH4 CO
Gás de pirólise
Conversão biológica
Fermentação Fermentação Fermentação de compostos alcoólica anaeróbica C2H5OH
Calor
Calor
Álcool
CH4 CO2
Metano
... e outras ... Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Substratos para produzir biogás
DAAD
Classificação
Scholz, ATB
Substratos Einsatzsubstrate
Systematik verschiedener Einsatzsubstrate
Landwirtschaftliche Materiais Stoffe agrícolas
Flüssigmist Estrume úmido
Stoffe nach der Resíduos Nebenprodukte-VO por lei EG Nr. 1774/2002
Schlachabfälle Resíduos de u.a. açougue
Estrume sólido Festmist
Organische Reststoffe Resíduos aus der Industrie agríc. e industr.
Indústria de Lebensmittelindustrie alimentos
Lixo orgânico Biotonne das casas
Outra indústria Sonstige Industrie
Gastronomie Restaurantes
Reststoffe Resíduosaus der vegetais Pflanzenproduktion
Biogás
Plantas Nachwachsende energéticas Rohstoffe
Outros substratos:
Kommunale Resíduosund Gewerbliche comunaisReststoffe e outr.
Verduras Grüngut Fonte: Biogashandbuch Bayern. Materialienband S. 16
- Lixo nos depósitos - Água de esgoto
DAAD
Uso de energia do biogás
Scholz, ATB
Situação atual na Europa EU25 em 2006 (ktoe) Total: 5347 ktoe
1 ktoe = 1000 t oil equivalent = 1000 toneladas de equivalentes de petróleo = 1000 tep
Biogás
Gás do depósito de lixo Gás da água de esgoto Outro biogás, incl. agríc. Fonte: EurObserv’ER 2007
Evolução dos biodigestores
DAAD
na Alemanha
Scholz, ATB
EEG Fonte: German Biogas Association (2007)
Biogás
EEG
DAAD Scholz, ATB
Bases Bases microbiológicas Bases químicas Bases físicas
Biogás
Características de biogás
Formação de biogás
DAAD
Bases microbiológicas
Scholz, ATB
É um processo anaeróbico que ocorre em várias etapas, onde os microorganismos convertem hidratos de carbono, gorduras e proteínas. O biogás tem aproximadamente 50 a 75% de metano (CH4), 25 a 50% de dióxido de carbono (CO2) e uma pequena quantidade de H2S, NH3 e H2. Aproximadamente 70 % de todas as bactérias de metano usam ácido acético (acetogenotroph) e aproximadamente 30% usam hidrogênio e dióxido de carbono (hydrogenotroph) no seu metabolismo.
Biogás
Condições ótimas para a produção de biogás, são: 35 a 37°C (mesophil) e também 55 a 60°C (thermophil) e pH neutro ou ligeiramente básico.
http://www.atb-potsdam.de/hauptseite-deutsch/ATB-aktuell/Presse/P-Archiv-aktuell/p_info13_02-dateien/Grundlagen_und_Verfahren_der_Biogaserzeugung.pdf
Formação de biogás
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Bases químicas
Scholz, ATB
F... Taxa de entrada FV... ...Zuflußrate Volume do reator Taxa de olumen diluição VD... ...Fermenterv Taxa de crescimento Dµ… ...Verdünnung srate Concentração µx… ...Wachstumst rate da biomassa … Concentração do substrato na entrada xS ...0Biomasseko nzentration S… Concentração do substrato no reator S 0 ...Substratko nzentration Zulauf Y …Coeficiente da produção S ...x/S Substratkonzentration Fermenter Biomassa/Substrato
Yx / S ... Ausbeutekoeffizient Biomasse / Substrat 1 g Biomasse g Substrat ⋅ ⋅ l h g Biomasse
Biogás
dS µ⋅x = D ⋅ S0 − D ⋅ S − =0 dt Yx / S
Entrada
Saída
Convers.
Equilíbrio de fluxo
x = (S0 − S ) ⋅
D ⋅ Yx / S g µ l
Concentração da biomassa no equilíbrio de fluxo Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Conversão de (bio-)gás
DAAD
Bases físicas (1)
Scholz, ATB
As leis dos gases, mais importantes também servem para o Biogás !! Lei de Boyle:
p1 ⋅V1 = p 2 ⋅V 2
Se o volume do gás é comprimido por um pistão a pressão aumenta na mesma proporção. V1=5 Liter
P1=10 bar
V2=10 Liter P2=5 bar
Lei de Gay-Lussac
Quando a temperatura de um gás aumenta ou diminui °C °C em 1 °C , então o volume do gás muda em 1/273 do valor V = V0 + V0 ⋅ = V0 1 + 273 273 inicial, a pressão constante.
Biogás
Lei de Avogrado
Se a temperatura e a pressão são iguais, então o número de partículas dos vários gases são iguais
Características de um Mol de um gás ideal (0°C, 1,013 bar), para todos os gases: • O mesmo volume V de 22,4 l • O mesmo número de partículas 6,022*1023 • Uma massa especifica de MOL M (por ex. Methan CH4=16 g) • A densidade é proporcional a massa do Mol p=M/V=16/22,4=0,714 g/l. Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Conversão de (bio-)gás
DAAD
Bases físicas (2)
Scholz, ATB
Pressão parcial de gases
A pressão parcial de um gás é aquela exercida pelo gás independente dos outros gases.
p 0 = p D ⋅V n pp0 ... Gesamtdruc k 0... Pressão total p DD...Partialdru ck gás des Einze lg ases Pressão do singular
1013 mbar=608+375+20+10 60% Metano (1013*0,6=608 mbar)
VVnn......Volumen lg ases Volumedes do Einze gás singular 100 % Biogás
Biogás
1 ppm=1/1.000.000 1 Vol.%=1/100 1 Vol.%=10.000 ppm
37% CO2 (1013*0,37=375 mbar)
2% H2O (Vapor) (1013*0,02=20 mbar) Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
1% Outros gases (1013*0,01=10 mbar)
Conversão de (bio-)gás
DAAD
Bases físicas (3)
Scholz, ATB
Cálculo do biogás para condições normais Cálculo do volume de biogás nas condições: 0 °C = 273,15 K e 1013 mbar.
Exemplo:
Biogás
V0 ...Normvolume n des Biogases V0...Volume normal de biogás V ... gemessenes Volumen des Biogases V... Volume medido de biogás in mbar L ...Luftdruck pLp...Pressão atual do biogás (mbar) ...Dampfdruck des Wassers de vapor de água pWpW...Pressão P0p... normal Normdruck (1013(1013 mbar )mbar) 0 ...Pressão normal (273,15 K) TT0...Temperatura 0 ...Normtemper atur ( 273,15 K ) T...Temperatura medida dedes biogás T ...gemessene Temperatur Biogases Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
140 Dampfdruck
Sättigungsdampfdichte
120
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0 0
10
20
30
40
50
Temperatur in °C
Pressão atual do biogás
V0 = 100 ⋅
(980 − 20) ⋅ 273,15 1013 ⋅ (273,15 + 18)
V0 = 100 ⋅ 0,89 = 89 m 3
Temperatura no depósito de gás (°C)
Sättigungsdampfdichte in g/m3
( p − pW ) ⋅ T0 V0 = V ⋅ L p0 ⋅ T
Dampfdruck von Wasser in mbar
140
Composição de biogas
DAAD
Componentes principais
Scholz, ATB
Componentes
Concentração
Biogás
Quais são os componentes principais?
Fonte: Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung. FNR, Leipzig, 2004
Características de biogás
DAAD
e dos seus componentes principais
Scholz, ATB
Características PCS PCI Limites da explosão (% em ar) Temperatura da inflamação Press. Crítica Densidade
Biogás
Relação densidade gás/ar Índice Wobbe Índice Metano
Índice Wobbe Er ist ein korrigierter Heizwert (Brennwert) und wird rechnerisch gebildet aus dem Quotient des Heizwertes und der Wurzel aus dem Dichteverhältnis von Brennstoff und Luft. Man unterscheidet einen oberen Wobbeindex (Ws, "s" von superior, früher Wo) und unteren Wobbeindex (Wi, inferior, früher Wu). Er zeigt die Austauschbarkeit von Gasen. Wenn z. B. ein Brenner von einer Heizung auf ein anderes Gas eingestellt wird, kann durch den Wobbeindex geklärt werden, ob die Brennerdüsen größer, kleiner oder gleich bleiben können. Ìndice Métano ≈ ìndice octano, cetano
Comparação de biogás
DAAD
com outros gases combustíveis
Scholz, ATB
Eigenschaften verschiedener Brenngase Características de gases Erdgas Gás
natural
Deponiegas Gás de
depósito1)
Synthesegas Gás (Luft) síntesis2)
Synthesegas Gás (Dampf/O2) síntesis3)
gás
CH4
84 - 98 %
50 - 75 %
45 - 60 %
3-7%
4 - 14 %
CO2
0 - 15 %
25 - 45 %
30 - 40 %
11 - 19 %
15 - 30 %
CO
-
H2
0-1%
O2
0-4%
0-3%
1 - 10 %
0-5%
2 - 14 %
Ges.-S < 84
20 - 6000
N2 H2S (ppm)
Biogás
Biogas Bio-
20 - 40 % 6 - 19 %
26 - 55 %
42 - 60 %
0
NH3
0-1%
0 – 0,1 %
0 – 0,1 %
PCI (MJ/m³) Heizwert (MJ/Nm3)
19 - 22
3 - 6,5
12 - 16
3) Densidade Dichte (kg/m(kg/m³)
0,9
1,2
Temp. de inflam. Zündtemperatur
650 °C
700 °C 1) de lixo
2) produzido com ar 3) com vapor e oxigenio
DAAD Scholz, ATB
Rendimento da produção de biogás Cálculo do rendimento teórico Medição do rendimento Rendimento dos substratos diversos
Biogás
Impactos das plantas energéticas no rendimento
Cálculo do rendimento teórico de biogás DAAD Scholz, ATB
das plantas vegetais Composição da biomassa vegetal (massa seca): Carbono: 45% Oxigênio: 42% Hidrogênio: 6% Outros: 7%
Biogás
1 Mol Biomassa
38 x 12 = 456 g 60 x 1 = 60 g 26 x 16 = 416 g
C38 H 60O26 + 10 H 2O ⇒ 18CO2 + 20CH 4 47% CO2
932 g
53%CH4
18 Mol CO2 + 20 Mol CH4 38 Mol Biogás enche um Volume de 38 x 22,4= 851 l!
Rendimento teórico de produção de biogás: 851 / 932 = 0,91 l Biogás por 1 g massa seca da biomassa Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Medição do rendimento de biogás
DAAD
no labor na maneira “Batch”
Scholz, ATB
Biogás
Termostato “Rato de gás”
Biogás
Banheira com garrafas
Bancada de labor (Medição „Batch“) 35°C, 30 d
Evolução do rendimento diário de biogás DAAD das plantas vegetais e excrementos animais
Rendimento da produção de biogás -1 (l kg-1) por substância orgânica úmida yoS oS- Biogasausbeute yoS (l kg )
Biogás
Wiesengras (oS=17,8%) Capim 1 Beterraba Rübensilage (oS=11,6%)
Knaulgras (oS=17, %) Capim 2 Milho Maissilage (oS=32,4 %)
Scholz, ATB
Rindergülle Etrume úm. (oS=6,2%) de vaca
1000 970 lkg-1
900 870 lkg-1
800
770 lkg-1
700 620 lkg-1
600 500
470 lkg-1
400 300
medido no labor com 35 °C
200 100 0 0
5
10
15
20
25
Tempo (d) Zeit t t(d) Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
30
Rendimento da produção de biogás
DAAD
dos excrementos animais e resíduos vegetais
Scholz, ATB
Percentagem da substância seca (%seco)
Percentagem da substância orgânica (%seco)
Rendimento de biogás por subst. organ. (m3/kgseco)
Rendimento de biogás por subst. total (m3/túmida)
Estrume sólido de vaca
25
85
0,45
95
Estrume sólido de porco
35
85
0,37
110
Estrume sólido de perua
70
85
0,45
270
Estrume sólido de perua (com madeira)
55
85
0,30
140
Etrume sólido de galinha
70
77
0,56
300
Estrumo úmido de vaca
8,0
80
0,41
26
Estrume úmido de porco
8,5
70
0,42
25
Chips de beterraba
22
90
0,84
166
Bagaço de centeio
5,5
95
0,79
41
Bagaço de maçã
8
98
0,68
53
Bagaço de citrínios (sem pektinos)
18
90
0,51
83
Palha de trigo (4 mm)
91
92
0,48
400
Bagaço de batata
14
93
0,72
93
Melaço
73
78
0,51
290
Pó de cereais (da moinha)
88
80
0,51
360
Substrato
Estrume 1)
Biogás
Resíduos orgânicos 2)
1) CH4 no Biogás: 60 bis 65%
2) CH4 no Biogás: 50 bis 55%
Torta de Mamona: 0,005 m³/kg [Elton A.] Glicerina: 0,58 m³/kg
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Índices de referência do rendimento
DAAD
de biogás dos excrementos animais
Scholz, ATB
nas condições de Europa
Biogás
Espécie
Produção de biogás (m3/d)
100 Vacas
130 < 160 > 200
500 Vitelos
120 < 150 > 180
150 Touros
100 > 130 > 170
1000 Porcos
150 > 200 > 250
30.000 Frangas
120 > 160 > 200
10.000 Galinhas
120 > 160 > 200
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Rendimento da produção de biogás
DAAD
dos resíduos vegetais das zonas tropicais
Scholz, ATB
Biogás
Compare com estrume: 300…600 Biogás ≈ 180…360 CH4
Fonte: Plöchel&Heiermann, 2005
dos diversos substratos
Scholz, ATB
800
Biogás: 6,0 kWh/m³ 21,6 MJ/m³
Biogás
600 1 Porco 0,2 m³/d
1 Vaca 1,6 m³/d
6000 Renda de biogás Renda de calor (PCI por túmida)
4500
400
3000
200
1500
0
0 Estrume Esterco Bagaço Bagaço Lixo Silagem Silagem Palha de porco de vaca de frutos de cevada organ. de grama de milho de trigo
Rendimento de energia [MJ/túmida]
DAAD
Rendimento de biogás [m³/tseca]
Rendimento de biogás e de energia
Biogás das plantas energéticas
DAAD
Impactos no rendimento de biogás
Scholz, ATB
Objetivos
Biogás
Impactos
Cultivo
Espécie e gênero
Colheita
Prazo de colheita Dimensão de chips
Silagem
Meios aux. de silagem
Produção de biogás
Condições de fermentação
Duração de silagem
Rendimento alto de plantas Perdas baixas Rendimento alto de biogás Fonte: Heiermann, ATB 2006
Impacto da espécie da planta
DAAD
no rendimento de biogás
Scholz, ATB
Percentagem da substância seca (%seco)
Percentagem da substância orgânica (%seco)
Rendimento de biogás por subst. organ. (m3/kgseco)
Rendimento de biogás por subst. total (m3/túmida)
Triticale
41
95
0,74
289
Centeio
33
93
0,73
225
Cevado
25
93
0,92
218
Centeio triturado
86
96
0,87
723
Silagem de beterraba
12
94
0,88
99
Tempo 1 da colheita
29
96
0,68
188
Tempo 2 da colheita
35
97
0,73
249
Tempo 3 da colheita
34
96
0,68
281
Tempo 1 da colheita
29
96
0,72
226
Tempo 2 da colheita
37
96
0,79
255
Tempo 3 da colheita
37
96
0,81
280
Alfafa
23
89
0,53
155
Substratos
Plantas energéticas 1)
Milho 1
Biogás
Milho 2
1) CH4 no Biogás: 50 bis 55%
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Impacto das partes e da colheita
DAAD
da planta no rendimento de biogás
Scholz, ATB
-1
CCM
9.000
Resto
3
Rendimento de metano [Nm ha ]
10.000
Grãos
Fonte: Amid 2004
8.000
Planta inteira
7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0
Biogás
Colheita ceda
Colheita normal
Colheita tarde
A espécie da planta e as suas partes tem uma influência relevante ao rendimento de biogás e em parte também o prazo de colheita. Alem disso a espécie da planta e o prazo da colheita influenciam o curso da fermentação.
DAAD
em silos no rendimento de biogás
Scholz, ATB
Uma conservação das plantas no silo ou aumenta o rendimento de biogas diminui 1000 900
yoTM Frischmasse > yoTS Silage
yoTM Silage > yoTS Frischmasse
Frischmasse Material
fresco
Silage Material
de silagem
800 700 600 500 400 300 200 100
Espécie da planta Pflanzenart
A Lu la nt ze rn e/ G ra s R es ed e Tr iti So ca le nn en bl um e
So M H m ai af m s er e rr -E og rb ge se -L n ei nd ot te Zu r ck er hi rs e Ö lre tti ch
Su
H af
er da ng ra To s pi na m bu r
0
So m m er G ge ra sm rs te is ch un ge n
yoTM [Nl/kg oTMk] RendimentoBiogasausbeute de biogás y SO seca(Nl/kg SOseca)
Biogás
Impacto de conservação das plantas
Fonte: Heiermann&Idler, ATB 2006
DAAD
no rendimento de biogás
Scholz, ATB
Rendimento de biogás yoTS [Nl/kg oTS]
Impacto de triturar as plantas 1000 900 800
Milho fresco (Planta inteira)
700 600 500 Comprimento 4 mm
Não impacto na silagem!
400 300
Comprimento 6 mm Comprimento 8 mm Comprimento 12 mm
200 Fonte: Heiermann&Idler, ATB 2006 100 0
0
5
10
15
20
25
30
Biogás
Duração [d]
A trituração das plantas frescas acelera a fermentação, mas não dos materiais de silagem.
DAAD Scholz, ATB
Tecnologias de biogás Princípios e exemplos de biodigestores Princípios e parâmetros de fermentação Princípios de purificação e armazenamento de gás
Biogás
Princípios de conversão energética
Classificações das tecnologias
DAAD
de produção de biogás
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Critério
Caraterísticas
Numero de esfases de processos Temperatur de processo
- 1 fase - 2 fases - mais fases - psichrofílico - mesofílico - termofílico - discontinuo - quasi-continuo - continuo - fermentação umida - fermentação seca
Maneira de preencher
Biogás
Umidade de substrato
Fonte: Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung. FNR, Leipzig, 2004
Biodigestores históricos
DAAD
de tipo chinês e de tipo indiano
Scholz, ATB
Pros & Cons?
Tipo indiano
Tipo chinês
Biogás
Fonte: Gunnerson&Stuckey, 1986 Ver também: Victor Hugo Teixeira; Fontes Alternativas de Energia – Biogás. Universidade Federal de Lavras (UFVLA), FEPE 1998
Princípios da fermentação úmida
DAAD
das plantas de biogás
Scholz, ATB
Tecnologia corrente Durchfluß- Verfahren Biogás Biogas
Estrume líquido Gülle
Biogasreaktor Reator
Lagerbehälter Depósito
Tecnologia depósito SpeicherVerfahren
Biogás
Biogás Biogas
Reator e Biogasreaktor depósito kombinierter und Lagerbehälter combinados
Faulschlamm Resíduos/Lama de fermentação
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Parâmetros do processamento
DAAD
da fermentação úmida e contínua
Scholz, ATB
Parâmetros básicos Grundparameter Quantidade Zulaufmenge de entrada
m3 F0 d
Concentração Zulaufkonzentration
kg c0 3 m
de entrada
m3 Quantidade Biogasmenge QB d de biogás 3 m Quantidade Ablaufmenge FA de saída d
Volume do reator Reaktorvolumen
VR (m
Belastungsparameter Parâmetros da carga
de saída
)
Leistungsparameter Parâmetros da potência Rendimento Biogasausbeute: de biogás
QB m3 yB = F0 ⋅ c0 kg
F ⋅c c kg Carga Raumbelastung: BR = 0 0 = 0 3 do espaço VR tm m ⋅ d
Quota Biogasrate: de biogás
QB m3 rB = = y B ⋅ BR 3 m ⋅d VR
Carga F0 ⋅ c0 kg B = Schlammbelastung: TS da lama VR ⋅ c A kg ⋅ d
QB m 3 Quota especifica spezifische Biogasrate: rS = de biogás VR ⋅ c A kg ⋅ d
Duração mittlere Verweilzeit: média
Biogás
3
kg m3
Concentração Ablaufkonzentration cA
V tm = R (d ) F0
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Princípios para misturar os substratos DAAD Scholz, ATB
nos reatores úmidos extern
intern
hydrostatisch
Hydraulische Mistura Durchmischung hidráulica TauchmotorPropellerrührwerk
Propeller
Paddel
Mechanische Mistura Durchmischung
mecânica
Gasdiffusion
Gaslift
Biogás
Mistura Gaseinpressung com gás Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Fluxo de material de um biodigestor
DAAD
numa fazenda agrícola
Scholz, ATB
Plantas energéticas e/ou Lixo orgânico
Estrume, Excrementos
Higienização (opcional)
Energia elétrica
Resíduos de biogás
Depósito de gás Biogás *
Calor Reator
Biogás
* Micro-usina termoelétrica, que combina calor e potência (gerador)
1 Vaca (4,2 kgOrg. seco/d) gera approx. 3 kWh/d Eletricidade + 5 kWh/d Calor
Depósito dos resíduos
Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Tecnologia e processamento
DAAD
da produção do biogás da fermentação úmida
Scholz, ATB
Componentes de um biodigestor: • Câmara coletora (fossa de excrementos e de co-substratos úmidos) • Câmara de higienização, apenas quando necessário; • Reator de biogás; • Depósito de gás; • Depósito de resíduos de biogás; • Micro usina termoelétrica.
Os co-substratos são misturados com o estrume na câmara coletora ou podem ser colocados diretamente no reator. Depois de 20 a 30 dias, os resíduos são transportados para o depósito e mais tarde seguem para os campos, como adubo orgânico.
Biogás
Atualmente, o principal uso do Biogás e para a geração de eletricidade, sendo que o valor do KWh na Alemanha é de 0,08 até 0,26 € (Erneuerbare-Energien-Gesetz de Abril 2004, atualizado em Novembro 2008). O calor do gerador é usado para aquecer os substratos e higienização de alguns substratos, sendo que no verão ocorre uma produção excedente que é usada para fins diversos (p. ex. frio).
Biodigestor moderno
DAAD
de uma potência de 40 kWel
Scholz, ATB
Biogás
Dados técnicos: Reator: 630 m3 Depósito de gás: 500 m3 Potência el.: 40 kWel
Substratos: Estrume úmido de gado + Plantas energéticas
Foto: Heiermann, ATB
Biodigestor moderno
DAAD
de uma potência de 260 kWel
Scholz, ATB
Biogás
Dados técnicos: Reator: 460+720+800 m3 Resíduos: 2700 m³ Depósito de gás: 400 m3 Temperatura: 39 °C Tempo hidráulico: 6+9+10 dias Biogás: 2360 m³/d (54 % CH4) Motor com 11…13 % diesel Potência el.: 80+80+100 kWel Eficiência el.: 32…37 %
Substratos: 5 % estrume úmido de 92 Vacas (110 GV) + 60 % resídues de batatas + 16 % residues de comidas + 3 % plantas energéticas (milho) + outros resídues orgánicos Fonte: Ergebnisse des Biogas-Messprogramms. FNR, Gülzow, 2005
Biodigestor moderno
DAAD
de uma potência de 630 kWel
Scholz, ATB
Biogás
Dados técnicos: Reator: 5.200 m3 Resíduos: 50.000 m³ Depósito de gás: 500 m3 Temperatura: 39 °C Tempo hidráulico: 24 dias Biogás: 8100 m³/d (56% CH4) Motor de gás Potência el.: 626 kWel Eficiência el.: 28 %
Substratos: 82 % estrume úmido de 50.000 porcos (12.500 Unidades animais) + 18 % Schlempe Fonte: Ergebnisse des Biogas-Messprogramms. FNR, Gülzow, 2005
Fermentação seca
DAAD
Princípio de processamento
Scholz, ATB
Fermentação seca Há um interesse crescendo na Alemanha de usar também substratos secos para produzir biogás, p. expl. plantas energéticas ou misturas de estrume com palha. Está tecnologia, que foi desenvolvida no ATB, trabalha na maneira „Batch“, quer dizer não contínuos. A fermentação corre com um percentagem de 20 a 40 % de massa seca, por isso precisa menos água é necessária do que a fermentação úmida.
Para estabilizar a fermentação é necessário de colocar uma substância de vacinação (Inoculo), que vai ser misturado com o substrato e que pode infiltrar (percolar) o.
Biogás
Atualmente vários princípios são testados, também como a combinação com a fermentação úmida.
Ainda só poucas experiências práticas! http://www.atb-potsdam.de/hauptseite-deutsch/ATB-aktuell/Presse/P-Archiv-aktuell/p_info13_02-dateien/Grundlagen_und_Verfahren_der_Biogaserzeugung.pdf
Processamento de biogás
DAAD
Purificação
Scholz, ATB
Para o uso na micro usina é preciso purificar o biogás, principalmente da água e do ácido sulfídrico (H2S). A água pode ser retirada pela diminuição da temperatura (Condensação).
Como?
O ácido sulfídrico pode ser reduzido biologicamente pelo ar que introduzido no reator (a). Mas algumas micro-usinas termoelétricas precisam de uma melhor purificação. Por exemplo, a desulfidricacão em colunas químicas (b) ou com sal de ferro que é introduzido no reator (c). Neste caso, o sulfito de ferro fica no resíduos do biogás. a) Com a ajuda do compressor o ar será introduzido de 5-6% de Biogás no reator. Essas bactérias oxidam até 80% do H2S em enxofre elementar.
Biogás
b) Passar biogás no óxido de ferro e depois regenerar da massa no ar Fe2O3* 3H2O + 3H2S >>> Fe2S3 + 6H2O Fe2S3 + 1,5 O2 + 3H2O >>> Fe2O3* 3H2O + 3S c) Introdução de sulfato de ferro II no reator FeSO4 * H2O + H2S >>> FeS + H2SO4 + H2O Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Armazenamento de biogás
DAAD
Princípios dos tipos de depósitos
Scholz, ATB
0,5 a 1 mm WS
0,5 a 1 mm WS
Stützluft
Por causa da densidade baixa (1 m³ de biogás = 0,6 l de petróleo) não vale a pena de armazenar o biogás muito tempo (só umas horas).
innere Membran Biogas
Biogas
Depósito de balão Folienkissenspeicher
Depósito de duplas membranas Doppelmembranspeicher
Um parte de biogás pode ser armazenada também no reator, que está diretamente ligado com o depósito de gás. Esta ligação impede que a pressão no reator não é demasiado alto ou demasiado baixo.
Wasser oder Gülle Biogas Biogas
Biogás
Naßgasometer Gasômetro
DepósitoMitteldruckgasspeicher de gás de pressão média
50 a 100 mm WS Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
5 a 20 bar
A maioria de depósitos na Alemanha são balões da folha, que servem só para pressões baixas de 0,05 bis 0,1 mbar (0,5 bis 1 mm WS), mas que tem também preços baixos.
Exemplo 1:
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
Biogas Biogás
?
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
Biogas Biogás
Exemplo 1:
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
Exemplo 1:
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
Biogas Biogás
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
Biogas Biogás
Exemplo 2:
DAAD
Tecnologia termofílica de 3 fases
Scholz, ATB
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
DAAD
Tecnologia termofílica de 3 fases
Scholz, ATB
Biogas Biogás
Exemplo 2:
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
Exemplo 2:
DAAD
Tecnologia termofílica de 3 fases
Scholz, ATB
Biogas Biogás
Fonte: Biogas-Anlagen. 12 Datenblätter, FNR, Gülzow, 2004
Biogás
Exemplo 3:
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
Exemplo 3:
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
Biogás
Dados técnicos: Reator: … m3 Resíduos: … m³ Depósito de gás: … m3 Temperatura: … °C Tempo hidráulico: … dias Biogás: … m³/d (… % CH4) Sem gerador
Substratos: Estrume úmido de … porcos (…)
Biogás
Exemplo 3:
DAAD
Tecnologia mesofílica de 1 fase
Scholz, ATB
DAAD Scholz, ATB
Resíduos da fermentação (biofertilizantes) Fluxo de matérias Características de resíduos
Biogás
Utilização de resíduos
Biogás
Fluxo de matérias na co-fermentação
DAAD
de excrementos animais e plantas energéticas
Scholz, ATB
Fonte: Heiermann, ATB 2006
Valor nutritivo dos resíduos
DAAD
da fermentação de plantas energéticas
Scholz, ATB
Lembra: Resíduo
Species de planta
Percentual por peso1) (% MS)
Resíduo da fermentação
Grão Cereais3) Capim Milho3) Beterraba
25 ± 5 24 ± 5 38 ± 5 30 ± 5 25 ± 5
Teor da substância nutritiva no resíduo2) (% Massa Seca) N P 2 O5 K2O 5.4 3.2 3.9…4.7 2.1…3.1 2.8
3.1 2.0 1.6…2.6 1.4…1.8 1.2
2.5 5.0 7.2…10.5 3.9…7.2 3.4
Biogás
1) Percentage of sludge, stoichiometrically calculated by Mähnert (2007) with moisture contents of a former table, a methane percentage of 55% and the biogas yields of a following table. 2) According to Ruckenbauer et al. (1992), Vetter et al. (1995), Hasler and Nussbaumer (1996), Hartmann and Strehler (1997), Obernberger (1997), Frieß et al. (1998), KTBL (2005), KTBL (2005b), Holzner (2006), Heard, Cavers and Adrian (2006) and Reinhold (2007), converted by the mass equations P2O5 = 2.29 P and K2O = 1.20 K. 3) Whole crops.
Exemplo de cereais: 3,2 % N x 24 % Percentual = 0,8 % da planta usada. As plantas de cereais tem em media 1,2 % N (Ver “Plantas energéticas”).
Geralmente, durante a fermentação só sai CH4 + CO2, por isso o major parte dos nutrientes fica no resíduo.
Percentagem e qualidade do nitrogênio DAAD nos substratos e nos resíduos da fermentação Scholz, ATB Substratos (Entrada)
Resíduos (Saída)
Ausgangssubstrat
Biogasgülle
Percentagem do nitrogênio total [%inder FM] (% da massaNtfresca)
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
Anteil des NH4-N am Gesamt-N 0,00
Biogás
Biogasgülle
Fonte: Reinhold, 2004 80,0
60,0
4
Percentagem do amônio N H-nitrogênio N /N[% ] NH4-N no nitrogênio total (%)
Ausgangssubstrat 100,0
40,0
20,0
0,0
Características e uso dos resíduos
DAAD
da produção de biogás
Scholz, ATB
A qualidade dos substratos determina a qualidade dos resíduos. Durante a fermentação a concentração das substâncias orgânicas são reduzidas em 30 a 50 %. Até 90% da substância seca é convertida durante o processo, e por isso a fermentação da biomassa seca (plantas energéticas, por ex.) é possível. Umas vantagens: • Os resíduos de biogás são líquidos e não fedem, como os excrementos e estrumes. • O poder germinativo das ervas daninhas é diminuído. • Geralmente, os nutrientes das plantas ficam nos resíduos. • O valor do nitrogênio é melhor nos resíduos do que nos substratos, por que um parte de compostos de N é convertido em NH4-N. • Nitrato não existe nos resíduos.
Biogás
Para o uso de resíduos os produtores agrícolas devem obedecer as leis de adubação na Alemanha. Os resíduos originários das plantas energéticas, não causam problemas. Para a utilização dos resíduos e lixos não provindos da agricultura, é preciso consultar uma lista específica.
DAAD Scholz, ATB
Máquinas de conversão de energia inclusive células combustíveis Classificação Motores de gás, motor Stirling e microturbinas
Biogás
Células combustível
Características e tipos Princípios e método de trabalho Exemplos e mercado Processamento de biogás Exemplos de células combustíveis de biogás Pesquisa e desenvolvimento
Classificação das máquinas
DAAD
de conversão de energia do biogás
Scholz, ATB
Conversão energética
Produção de calor
Produção de eletricidade
Alimentação na rede de gás
eletroquímico
mecânico
Microusina
Microusina
Motor Stirling
Microturbina de gás
Combustível de carros
Microusina
Motor de gás
Motor com injeção de diesel
Célula combustível
PEM
SOFC
Biogás
Motor de gasolina < 100 kW PAFC Motor de diesel > 100 kW MCFC
Utilização do biogás
DAAD Scholz, ATB
Na Alemanha o Biogás é geralmente usado para gerar eletricidade. Na microusina são usados vários tipos de motores: • Os motores de gás (Motor Otto e motor diesel modificados) são baratos porém de baixa eficiência (20 a 25 %). • No motor com diesel trabalhamos com uma pequena quantidade de diesel (5…20 %) para dar a partida, tendo eficiência de 30 a 38 %. Ainda não existe lei que trata da introdução de Biogás na rede geral de gás natural. Para o uso direto de biogás nos carros é necessários a separação do CO2 e altas pressões. A produção de combustíveis GTL com ajuda de sínteses Fischer-Tropsch é um estado da arte porem só é possível para grandes usinas.
Biogás
Para uso só de calor o consume de biogás pode ser calculado como seguinte: • • • •
Cozimento - 0,3 a 0,4 m³/d por pessoa Iluminação - 0,08 a 0,16 m³/h para 1 a 3 lâmpadas Refrigerador – 0,008 m³/d por litro de espaço Chuveiro - 0,74 m³ por pessoa
Biogás
Princípio de uma microusina
DAAD Scholz, ATB
Fonte: Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung. FNR, Leipzig, 2004
Motor Otto e motor diesel
DAAD Scholz, ATB
Fluxo de energia nas microusinas convencionais (Exemplo)
Microusina
100 % Biogás PCI
18 % Calor perdido 6 % Calor para uso próprio 47 % Calor para vender 5 % Eletr. para uso próprio Foto: top agrar Fachbuch, 2002
24 % Eletricidade para vender
Biogás
Motor de gasolina Motor Otto Preço Eficiência elétrica Vida útil Gasta do diesel Potência
pouco 20-25% pouca sem 5-30 kW
Motor de diesel com sem injeção de diesel alto 25-35 meia 5-20% 30-150 kW
alto 30-35 meia sem >150 kW
Biogás
Motor Stirling
DAAD
Princípio e método de trabalho
Scholz, ATB
Lembra:
- Eficiência baixa (10…25 %el)! - Eventual robusto, mas ainda só poucas experiências!
Microturbina de gás
DAAD
Princípio
Scholz, ATB
Biogás
Ainda poucas experiências na prática!
Fonte: G.A.S. Energietechnologoe GmbH
Biogás
Células combustível
DAAD
Vantagens
Scholz, ATB
Biogás
Células combustível
DAAD
Emissões
Scholz, ATB
Quelle: J. Blumenberg und M. Spinnler: TU München, www.td.mw.tum.de
Biogás
Células combustível
DAAD
Características dos tipos mais importantes
Scholz, ATB
Operating temperature Energy source Hydrogen production Catalyst poisons Gas processing System efficiency Start duration Service experience NG: Natural gas
PAFC System
MCFC System
SOFC System
PEMFC System
180°C – 220°C
600°C – 660°C
500°C – 1000°C
70°C – 200°C
H2, NG, Biogas
NG, Coal- and Biogas
NG, Coal- and Biogas
H2, NG, MeOH (Biogas)
External reformingn
Internal reform., Gasification
Internal reform., Gasification
External reforming
CO (%), S
S, Halogens
S, Halogens
CO (ppm), S
Desulphurization, Desulphurization, Desulphurization, Desulphurization, CO-Conversion Dehalogenization Dehalogenization CO-Conversion NG: 36% – 40%
NG: 44% – 52%
NG: 35% – 56% (without turbine)
NG: 30% – 40% H2: 45% – 60%
NG: hours
NG: approx. 10 h
NG: approx. 10 h
NG: hours H2: ms
Commercial since 10 years
Commercial.
Field trials
Begin of commercial.
Células combustível
DAAD
Tipos e campos de aplicações
Scholz, ATB
Aerospace Military Storage systems
Combined heat and power (CHP) Decentralized power generation
Biogás
Transport Central power generation Military Small consumer Combined heat and power (CHP) AFC…... Alkaline FC Decentralized power generation PEM….. Polymer Electrolyte Membrane FC Special applications DMFC… Direct Methanol FC PAFC…. Phosphoric Acid FC MCFC… Molten Carbonate FC SOFC… Solid Oxide FC
Células combustível
DAAD
Eficiência
Scholz, ATB
Biogás
Natural Gas
Source: Pehnt, IFEU 2003
Células combustível
DAAD
Bases termodinámicas
Scholz, ATB
Brennstoffzellenreaktion H2 + 0,5 O2 (H2O)fl Freie Reaktionsenthalpie (Gibbs-Helmholtz-Gleichung)
∆G = ∆H − T ⋅ ∆S Standardreaktionsenthalpie ∆G 0o = -237,3 kJ/mol
Reversible Standardklemmenspannung
Biogás
U
0 BZ,rev
∆G 0o =− = 1,23V n⋅F
F = 96487 C/mol n=2
Células combustível
DAAD
Eficiência teorética
Scholz, ATB
Maximale Zellspannung ∆H 0o = 1,48 V (Ho) U =− n⋅F ∆H 0u 0 U th = − = 1,25 V (Hu) n⋅F 0 th
Biogás
T ηC = 1 − u To
Maximaler Wirkungsgrad (Ho) η BZ,max
0 ∆G 0o U BZ,rev = = = 83,3 % ∆H 0o U 0th
Biogás
Células combustível
DAAD
Curva Voltagem-Amperagem?
Scholz, ATB
Biogás
Células combustível
DAAD
Método de trabalho
Scholz, ATB
Células combustível
DAAD
Princípio (PEM)
Scholz, ATB
Membrane Bipolar plate
Anode
Cathode
Hydrogen rich gas
(Atmospheric) oxygen
H+
2 H2 + O2 2 H2O ∆HR = -246 kJ/mol
Water and off-gas
Anode off-gas -
Biogás
Gaseous diffusion layer
+
Electrical load
Moving ion in PEM: H+ in MCFC: CO32in SOFC: O2-
Células combustível
DAAD
Construção de PEM (PEMFC Stack)
Scholz, ATB
Biogás
50 kW - Stack
Células combustível
DAAD
Corte transversal de MEA
Scholz, ATB
Biogás
Unidade de membrana e eletrodo
Foto: Frank Maier Uni Stuttgart
Biogás
Aplicação de células combustível
DAAD
em submarinos
Scholz, ATB
nach J. Blumenberg und M. Spinnler: TU München, www.td.mw.tum.de
Biogás
Aplicação de células combustível
DAAD
em caros
Scholz, ATB
nach J. Blumenberg und M. Spinnler: TU München, www.td.mw.tum.de
Biogás
Aplicação de células combustível
DAAD
em aparelhos pequenos
Scholz, ATB
nach J. Blumenberg und M. Spinnler: TU München, www.td.mw.tum.de
Células estacionárias combustível
DAAD
Estado de arte do mercado
Scholz, ATB
FC types
> 10 kW
Biogás
Regions (2007)
Number of installations
Células estacionárias combustível
DAAD
Previsão do mercado
Scholz, ATB
„The expectations with respect to the commercial introduction of fuel cells in transport (< 2003) and stationary applications (< 2001) have not yet been realized.“ (Bruijn, ECN/Nl 2005) The main problems are: - high costs (PEMFC: >1000 US$/kWel; SOFC: >1600 US$/kWel) - lack of durability (PEMFC: >0.5 µV/h; SOFC: >1%/1000 h) - high system complexity, lack of reliable peripheral parts - lack of fuel infrastructure for alternative fuels
Biogás
At present various field trials of fuel cell systems are taken (Stationary applications: PEMFC: 5 kWel Plug Power; 3 kWel S+R; 1-5 kWel Hitachi, Tokyo Gas, Fuji Electric, Osaka Gas; 250 kWel Alstom-Ballard etc. SOFC: 1 kWel Sulzer Hexis; 1 kWel Fuel Cell Technologies; 2 kWel Global Thermoelectric; 10 kWel Mitsubishi; 110-190 kWel Siemens Westinghouse; 250 kWel Wärtsila and Haldor Topsoe; BMW/Delphi etc.) The VDMA/Germany predicts a relevant utilization of FCs after 2012, at first in stationary CHP systems of 1 to 250 kWel (SOFC and PEMFC fuelled with natural gas or LPG) and later in vehicles (PEMFC fuelled with H2, Alcohol etc.)
Biogás
DAAD
em comparação com outras gases
Scholz, ATB
Synthesis gas (air)
Synthesis gas (H2O/O2)
Biogas
Natural gas
Landfill gas
CH4
50 - 75 %
84 - 98 %
45 - 60 %
3-7%
4 - 14 %
CO2
25 - 45 %
0 - 15 %
30 - 40 %
11 - 19 %
15 - 30 %
CO H2
0-1%
O2
0-4%
N2
0-5%
1 - 10 %
20 - 6000
Stotal < 84
H2S (ppm) NH3 NMHC1)
0-1% 0 – 12%
19 - 22
36
Density (kg/m3)
1.2
0.9
Ignition temperatur (°C)
700
650
1) Non methane hydrocarbone
6 - 19 %
26 - 55 %
42 - 60 %
0
0 - 0.1 %
0 - 0.1 %
3 - 6.5
12 - 16
0-3%
<2
Calorif. value (MJ/Nm³)
Biogás
20 - 40 %
2 - 14 %
Biogás
Estrutura de um sistema inteira
DAAD
de uma célula combustível
Scholz, ATB
nach J. Blumenberg und M. Spinnler: TU München, www.td.mw.tum.de
Processamento de biogás
DAAD
para os vários tipos de células combustível
Scholz, ATB
Biogas is CH4 + CO2. While fuel cells can only operate on H2 (all FCs) and/or CO (SOFC, MCFC) fuel
Biogas has to be reformed pressure swing adsorption
Reforming CH4 + H2O → CO + 3 H2 CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2
fuel cleaning
reformierung
membrane purification
CO-Shift
biogas 45 - 65 % CH4
internal reforming
Biogás
Internal reforming
selektive oxidation
hydrogen > 99.9% H2
reformate 56 - 66% H2 reformate 58 - 68% H2 < 1% CO reformate 58 - 62% H2 10 - 20% CO
transportation fuel for PEMFC
PEMFC
PAFC
high temperature fuel cells (MCFC, SOFC)
Scheme of biogas fuel processing for different fuel cell applications
Reformar de Biogás
DAAD
Várias tecnologias
Scholz, ATB
Reformierung - Wasserstofferzeugung aus Methan
Biogás
Verfahren
Reaktionen
∆RH0 [kJ/mol]
Temperatur [°C]
H2-Gehalt nach CO - Shift
Dynamik
Dampfreformierung
CH4 + H2O CO + 3 H2 CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2
206 165
650 - 800
max. 80 % typ. 75 %
schlecht
Autotherme Reformierung
CH4 + 0,5 O2 CO + 2 H2 CH4 + H2O CO + 3 H2
- 36 206
800 - 1000
max. 45 % typ. 40 %
gut
Partielle Oxidation
CH4 + 0,5 O2 CO + 2 H2
- 36
1300
max. 34 % typ. 31 %
gut
CO - Shift
CO + H2O CO2 + H2
- 41
HT 330 - 550 NT 190 - 280
CO < 1 %
selektive Oxidation
2 CO + O2 2 CO2 2 H2 + O2 2 H2O
- 283 - 246
60 - 180
CO < 15 ppm
Problema de reformar: CO
Reformar de Biogás Tipos dos reformadores de vapor
DAAD Scholz, ATB
1. Konventionelle katalytische Festbettreformer - Reformierung bei 850 °C und > 3 bar - hohe Verfügbarkeit - hoher Durchsatz - mit Druckwechseladsorption kombinierbar
2. Kompakte Ringspaltreformer - Reformierung bei 650 - 700 °C, < 3bar - effizienter und preiswerter - mit Membrantrennung kombinierbar, dann aber höherer Druck erforderlich
Haldor-Topsoe Ringspaltreformer
3. Plattenreformer
Biogás
- besserer Wärmeübergang, - besser skalierbar - höhere Leistungsdichte
Prinzip eines Plattenreformers
Reformar de Biogás
DAAD
Balanços de gás e de energia
Scholz, ATB
Biogás
dos reformadores de vapor
In Tagungsband Innovationsforum Brennstoffzellen in dezentralen Energieversorgungsanlagen, Riesa 2001
Impactos dos oligogáses tóxicos
DAAD
para as células combustível de tipo PEM (1)
Scholz, ATB
- Flüchtige Schwefelverbindungen (VSC): H2S, SO2, Merkaptane, Methylsulfide, COS, CS2 - Flüchtige organische Verbindungen (VOC): Methanol, Formaldehyd, Benzen
Biogás
- Stickstoffhaltige Verbindungen: NH3, HCN, NOx Verbindung
Träger
Konzentration / Wirkung
H2S
B, L, P
wenige ppb, katalysatorschädigend
SO2
L
500 ppb, katalysatorschädigend, nicht vollständig reversibel
Methanol
B
> 1 %, katalysatorschädigend
Formaldehyd
P
1000 ppm, katalysatorschädigend, leichter Zellspannungsverlust
Benzen
L
50 ppm: katalysatorschädigend, starker Zellspannungsverlust
NH3
B, L, P
Anode: einstelliger ppm-Bereich; Kathode: > 0,5 ppm, membran- und katalysatorschädigend
HCN
P, L (Militär)
Anode: keine Literatur verfügbar; Kathode: ppm-Bereich Ort der Schädigung unklar
NOx
L
0,4 – 1 ppm, katalysatorschädigend
B = Brenngas; L = Luft; P = Prozess Quellen: Handbook of Fuel Cells 2003, Garzon 2006, Uribe 2003, Moore 2000, Mallant 1998, Weisbrod 1994, Edlund 1998, Pino 1998, Jing 2007, Halsreid 2006
Impactos dos oligogáses tóxicos
DAAD
para as células combustível de tipo PEM (2)
Scholz, ATB
Biogás
Bisher bekannte Toleranzgrenzen der PEM: CO < 10 ... 100 ppm H2S < 1 ... 3,5 ppm Ges.S < 84 ppm HF < 0,01 ppm (?) HCl < 0,1 ppm (?) NH3 < ? Siloxane < ? Oleofine < ? Halogene < ?
nach Energieagentur NRW: Brennstoffzellen – Technologie für Blockheizkraftwerke, Tagungsband Symposium Wuppertal am 07. November 2000
Exemplo de uma usina de célula
DAAD
combustível do tipo PAFC de 200 kW
Scholz, ATB
na base do gás de águas residuárias
Onsi-FC Ruhrgas AG
Biogás
em Köln-Rodenkirchen/Alemanha
PAFC (UTC) in a sewage plant Source: Saure, Biogas-BZ Workshop ATB Potsdam 2005
Operat. start: 2000
Exemplo de uma usina de célula
DAAD
combustível do tipo PAFC de 100 kW
Scholz, ATB
na base do gás de águas resuidias
Biogás
em Yamagata/Japão
Fuji PAFC operating on sewage biogas Source: Oka, FC seminar Honolulu 2006
Operat. start: 2003
Exemplo de uma usina de célula
DAAD
combustível do tipo MCFC de 240 kW
Scholz, ATB
na base do biogás dos resíduos comunais Biowaste
em Leonberg/Alemanha
Biogás
Total capital investment: 3 Mio Euro
MCFC operating on biogas fuel
Tagesgang
Operat. start: 2006
Source: Rolf, S.:Operational Experience with MTU‘s HotModule. FC Sem., Honolulu 2006
Exemplo de uma usina de célula
DAAD
combustível do tipo SOFC de 1 kW
Scholz, ATB
na base do biogás agrícolas
em Lulli/Suíça
Biogás
Agricult. Biogas
SOFC operating on agricultural biogas Source: Jenne, ESF Workshop, Genua 2003
Test: 2001
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Bancada de teste do ATB de 0,15…0,6 kW
Scholz, ATB
Biogás
600 W stack (14 cells) + 150 W stack (4 cells)
Biogas fuelled PEMFC system at ATB
Solid state fermenter
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Resultados do teste do reformador de vapor
Scholz, ATB
Biogás
Performance data of fuel processor with biogas Parameter
Rated data (60 % CH4) Measurement results
Thermal hydrogen efficiency
68%
35% - 47%
Hydrogen output
2,25 kW
< 2 kW
Methane conversion
98%
83% - 91%
Hydrogen concentration
64%
max. 62% ∅ 53 % (55 % CH4) ∅ 55 % (60 % CH4) ∅ 56 % (65 % CH4)
CO (outlet)
< 10 ppm
0 ppm with 5% air
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Resultados do teste do PEM-Stack
Scholz, ATB
Biogás
Performance data of the PEM fuel cell stack Parameter
Measurement results
Remarks
Power output
620 W (65% CH4) 550 W (60% CH4) 500 W (55% CH4)
Cell efficiency (400 W)
55 % (65% CH4) 54 % (60% CH4) 54 % (55% CH4)
Significant differences between individual cells
Stochiometric coeff. λH2
1.3 @ 200 W 1.6 @ 400 W
Reformate composition and pressure varies
Stochiometric coeff. λO2
2.5
Operating temperature
43 - 46 °C
Limited by reformate dew point
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Impacto do composto de gás
Scholz, ATB
Spannungswirkungsgrad einer PEMBrennstoffzelle bei unterschiedlichen Rohgaszusammensetzungen
Biogás
Einfluss der Brenngaskonzentration auf den Wirkungsgrad
Einfluss von Kohlendioxid auf die Zellspannungen im Vergleich zu Stickstoff
Kohlendioxid führt im Vergleich zu Stickstoff zu einem etwas höheren Spannungsverlust (ca. 1 Prozentpunkt Wirkungsgradverlust)
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Método do cálculo da eficiência do sistema
Scholz, ATB
Enthalpie Elektr. Arbeit Wärme
Reformer Biogasanlage
W el,netto
Stromnetz
Wärmesenke
PEMFC
H Bio Q ab Wärmetauscher
Brenner
Bruttosystemwirkungsgrad (AC, Hu) :
Biogás
Wechselrichter
ηSys = ηRef ⋅ (2 - u + (1 − µ f ) ⋅ ηRef ) ⋅ µ f ⋅
UZ ⋅ ηI 1,25 V
ηRef u µf UZ ηI
Q nutz
Reformerwirkungsgrad (H2) Methanumsatz Brenngasnutzung Zellspannung Wechselrichterwirkungsgrad
Pesquisa na célula combustível PEM
DAAD
Prognóstico da eficiência
Scholz, ATB
ηRef
ηSys = ηRef ⋅ (2 - u + (1 − µ f ) ⋅ ηRef ) ⋅ µ f ⋅ Reformer
Anode off-gas recirculation
Biogás
Parameter
UZ ⋅ ηI 1.25 V
u
µf
UZ
ηI
Fuel cell
fuel processor efficiency (H2) methane conversion rate fuel utilisation cell voltage (average) DC/AC Inverter efficiency
Variant 1
Variant 2
Variant 3
Variant 4
ηRef
0.78
0.78
0.82
0.82
u
0.95
0.95
0.97
0.97
µf
0.74
0.80
0.80
0.80
UZ
720 mV
720 mV
720 mV
760 mV
39,6%
41,2%
42,9%
45,2%
ηSys (AC,LHV,gross) ηI = 0.95
Estado de arte e perspectivas de células de biogás
DAAD Scholz, ATB
In future, biogas fuelled fuel cells have good prospects, because biogas is one of the cheapest renewable energy sources biogas is similar to natural gas and therefore suitable for modified NG fuel cells FCs have higher efficiencies and lower emissions than conventional CHP plants
At present, biogas applications are an attractive niche market for FCs coupling renewable energy source and high efficiency technology has high credit
Biogás
due to the REA bonus the higher prices of FCs are compensated in Germany
At present, PAFC is favourable for biogas plants from 50 – 400 kW. MCFC is state-of-the-art for bigger biogas plants. For the next years, higher investment costs have to be balanced by public funding.
In future, SOFC will become the most attractive fuel cell for biogas. PEMFC will be a cheap and easy handling option for small biogas CHP units.
R&D activities have to be focused on identification of harmful gas components and specify tolerance limits for the FC system and design advanced gas cleaning optimization of design and operational parameters of the FC for biogas fuel development of control strategies for grid integrated biogas fuel cell plants
DAAD Scholz, ATB
Economia e Ecologia Índices de referencia dos parâmetros econômicos Reembolsos da produção de biogás na Alemanha
Biogás
Emissões da produção de eletricidade nos biodigestores
Índices de referência da planicafição
DAAD
técnica e econômica de uma planta de biogás na Alemanha
Scholz, ATB
Parâmetro 1 Unidade de gado grosso ?
400 bis 500 m3 Biogás/a
1 Unidade de gado grosso ?
1,5 bis 2,5 m3 Reator
1 ha Milho ou Beterraba
8.000 bis 15.000 m3 Biogás/a
1 ha Milho ou Beterraba
10 bis 20 m3 Reator
1 Unidade de gado grosso ?
Biogás
Quantidade
0,15 bis 0,20 kW Potência elétr.
1 m3 Biogás
5 bis 7 kWh Energia total
1 m3 Biogás
1,5 bis 2,5 kWh Energia elétr.
Investimentos do reator
250 - 450 Euro por 1 m3
Microusina (Zündstrahl)
600 - 900 Euro por 1 kWel
Microusina (Gas-Otto)
500 - 700 Euro por 1 kWel
Investimentos totais
3000 - 5000 Euro por 1 kWel Fonte: B. Linke, ATB Potsdam, 2004
Índices de referência dos investimentos DAAD de plantas de biogás na Alemanha
Scholz, ATB
Investimentos por unidade de gado grosso? Investimentos por 1 m³ de reator Investimentos por 1 kW de potência elétrica instalada
por 1 ano!
Biogás
Investimentos por 1 kWh de eletricidade
http://www.atb-potsdam.de/hauptseite-deutsch/ATB-aktuell/Presse/P-Archiv-aktuell/P_Info13_02-Dateien/hintergrund_zur_pressemitteilung_13_2002.htm
Reembolso da energia elétrica
DAAD
segundo a lei das Energias Renováveis na Alemanha
Scholz, ATB
Lembra: Reembolsos para o produtor (11/2008)
Biogás
Pagamento basico 2006 até 150 kW até 500 kW até 5 MW mais do que 5 MW (até 20 MW) Bônus Uso das plantas energéticas Uso dos excrementos animais Innovações de technologia Utilização do calor
Cent / kWh 11,67 9,18 8,25 7,79 ≤ 7,00 ≤ 4,00 ≤ 4,00 3,00
→ O produtor de biogás pode ganhar até 0,26 Euro por 1 kWh eletricidade!
1 % por ano decrescimento. Os preços são garantidos por 20 anos!
Valores de emissões totais
DAAD
da producão da eletricidade na Alemanha
Scholz, ATB
Lembra:
Equivalentes de CO2 (g/kWhel)
Biogás
Usina nuclear........................................................................ Usina nuclear (Urânio da África do Sul)................................ Usina a carvão de pedra (importado)………………………... Usina termoelétrica…………………………………………….. Usina a lignite…………………………………………………... Usina termoelétrica a lignite…………………………………... Usina a gás natural (moderna)……………………………….. Usina termoelétrica a gás natural (moderna)……………….. Micro usina a gás natural Pequenas centrais termoelétricas PCT………. Micro usina a biogás…………………………………………… Biogás faz a major parte Aerogerador…………………………………………………….. na redução de CO2! Aerogerador alto-mar………………………………………….. Usina hidroelétrica Pequenas centrais hidroelétricas PCH………………… Célula fotovoltaica multicristalina…………………………….. Eletricidade (fotovoltaica-importada da Espanha)................
-
Emissões totais dos gases climáticos de vários tipos de produção da eletricidade, incluindo os processos antes e os materiais para a produção dos equipamentos. http://www.bundestag.de/bic/analysen/2007/CO2-Bilanzen_verschiedener_Energietraeger_im_Vergleich.pdf
Biogás
Endereços importantes na Alemanha
DAAD Scholz, ATB
Fonte: Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung. FNR, Leipzig, 2004
DAAD Scholz, ATB
BIOGÁS
Biogás
- FIM -
