Utilização Do Biogás De Aterro Sanitário Para Geração De Energia

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UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA NATALIE JIMENEZ VÉRDI DE FIGUEIREDO “UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS – ESTUDO DE CASO”. São Paulo 2007 2 NATALIE JIMENEZ VÉRDI DE FIGUEIREDO “UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS – ESTUDO DE CASO”. Trabalho de Graduação Interdisciplinar apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica, da Escola de Engenharia da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica. ORIENTADOR: Profa. Dra. SÍLVIA MARIA STORTINI GONZÁLEZ VELÁZQUEZ São Paulo 2007 3 Aos meus pais, cujo exemplo e apoio me fizeram ser quem sou hoje; que abdicaram de muitos sonhos para que os meus pudessem ser realizados. 4 AGRADECIMENTOS Agradeço à minha mãe, por seu amor incondicional, por todo apoio que ofereceu e toda paciência que teve durante esses cinco anos; em quem sempre me espelhei. Ao meu pai por toda determinação e confiança que demonstrou ter. Espero que possa ter lhes retribuído e que todo sacrifício tenha valido a pena. À amiga e professora Sílvia por todo apoio, paciência e incentivo, além de toda confiança depositada durante os semestres de monitoria e orientação. Aos meus irmãos em quem desde pequena me espelhei e que me agüentam mesmo nos piores dias e à minha pequenina irmã “Cacau" que sempre tem um sorriso lindo e um abraço carinhoso quando necessário. À minha grande amiga Christiane, praticamente irmã, que há 15 anos está ao meu lado e com quem sempre posso contar. Enfim, a todos aqueles que contribuíram direta ou indiretamente para o meu sucesso. A todos amigos e professores que fizeram com que conseguisse tornar meu sonho realidade. 5 “A verdadeira medida de um homem não é como ele se comporá em momentos de conforto e conveniência, mas como ele se mantêm em tempos de controvérsia e desafio”. (Martin Luther King) 6 RESUMO A intensificação das atividades humanas nas últimas décadas tem gerado um acelerado aumento na produção de resíduos sólidos (lixo), tornando-se um grave problema para as administrações públicas. O aumento desordenado da população e o crescimento sem planejamento de grandes núcleos urbanos dificultam as ações de manejo dos resíduos além de que, o uso de lixões nos grandes centros urbanos ainda é muito comum, o que acarreta problemas de saúde e ambientais. A decomposição da matéria orgânica promove a liberação do biogás, cujos principais constituintes são o gás carbônico e o metano, que corresponde a cerca de 50% e é um gás de efeito estufa, cuja emissão favorece o aquecimento global. Além disso, gera odores desagradáveis e oferece riscos de explosão. Os aterros sanitários são considerados atualmente uma das alternativas mais interessantes para geração do biogás, visto que podem dispor de técnicas de captação dos gases liberados através de dutos de captação e queima posterior em flares, onde o metano, principal constituinte do biogás, será transformado em gás carbônico, que possui um potencial de aquecimento global cerca de 20 vezes menor. Nestes aterros também existem dutos para captação do chorume, líquido proveniente da decomposição de resíduos orgânicos que se não for devidamente coletado, acarreta poluição dos recursos hídricos. Além da oportunidade de reduzir os danos ambientais é possível utilizar o biogás como combustível, gerando energia elétrica e até mesmo iluminação a gás. Portanto, neste estudo é avaliado o potencial de geração de biogás do Aterro Essencis – CTR Caieiras, na cidade de Caieiras, SP, e verificada a viabilidade da implantação de um projeto de geração de energia elétrica e iluminação a gás com o biogás proveniente do mesmo, por meio de um estudo de caso. As tecnologias de conversão energética também são objeto de estudo, além da seleção da melhor alternativa para a conversão energética do biogás de aterro, o motor ciclo Otto. Palavras-chave: Aterro Sanitário. Biogás. Energia Elétrica. Resíduos Sólidos. 7 ABSTRACT The intensification of the human activities in the last few decades has generated a speed up increase in the production of solid waste, becoming a serious problem for the public administrations. The disordered increase of the population and the growth without planning of great urban nucleus difficult the handling actions handling of the residues, besides the use of open dumps in the great urban centers is still very common, which causes problems health and environmental. The organic matter decomposition promotes the release of biogas, whose main constituents are the carbonic gas and the methane, that corresponds how 50% and is a greenhouse gas, emission favors the global heating. Moreover, it generates awkward odors and it offers explosion risks. The landfill are currently considered one of the most interesting alternatives for generation of biogas, since they can make use of techniques of captation of the gases set free through captation ducts and afterward burns in a flare, where the methane, main constituent of biogas, will be transformed into carbonic gas, that possess a global heating potential about 20 times smaller. In this landfill also exist ducts for captation of the chorume, liquid proceeding from the decomposition of organic residues that if duly will not be collected, cause pollution of the hydrics resources. Beyond the chance to reduce the ambient damages it is possible to use biogas as combustible, generating electric energy and even though illumination the gas. Therefore, in this study is evaluated the potential of generation of biogas of Landfill Essencis - CTR Caieiras, in the city of Caieiras, SP, and verified the viability of the implantation of a project of generation of electric energy and illumination the gas with biogas proceeding from the same, by means of a case study. The technologies of energy conversion also are study object, beyond the selection of the best alternative for the energy conversion of biogas of landfill, the motor cycle Otto. Keywords: Landfill. Biogas. Electric Energy. Solid Residues. 8 LISTA DE SIGLAS ABNT BEN Associação Brasileira de Normas Técnicas Balanço Energético Nacional CAGECE Companhia de Água e Esgoto do Ceará CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa CETESB Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CIAS Consórcio Intermunicipal para Aterro Sanitário CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CTR Centro de Tratamento de Resíduos GLP Gás Liquefeito de Petróleo EPA Environmental Protection Agency ESTRE Empresa de Saneamento e Tratamento de Resíduos IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MME Ministério de Minas e Energia PEAD Polietileno de Alta Densidade PIB Produto Interno Bruto PNSB Pesquisa Nacional de Saneamento Básico PDD Project Design Document 9 LISTA DE ESQUEMAS Esquema 1 Método da Trincheira 38 Esquema 2 Método de Rampa 38 Esquema 3 Método de Áreas 39 Esquema 4 Esquema de retenção e coleta de fluidos em locais de disposição de 39 resíduos sólidos Esquema 5 Corte esquemático de um aterro 40 Esquema 6 Impermeabilização do solo 41 Esquema 7 Funcionamento do motor Diesel 55 Esquema 8 Desenho esquemático das etapas de funcionamento de um motor ciclo 57 Otto Turbina a gás 59 Esquema 9 Esquema 10 Esquema construtivo. (a) aterro classe I (b) aterro classe II 68 Esquema 11 Estrutura técnica do sistema de captação e queima do biogás 72 Esquema 12 Dreno para captação do biogás 72 Esquema 13 Poste de iluminação a gás 81 Esquema 14 Sistema integrado de captação e conversão do biogás em energia 83 10 LISTA DE FLUXOGRAMAS Fluxograma 1 Classificação dos Resíduos Sólidos 35 Fluxograma 2 Turbina a gás: (a) circuito aberto – processo real de combustão interna; (b) circuito fechado 50 Fluxograma 3 (a) Ciclo de ar-padrão de turbina a gás regenerativa. (b) Diagrama T x s do sistema regenerativo 52 Fluxograma 4 Microturbina baseada no ciclo Brayton aberto 54 11 LISTA DE FOTOGRAFIAS Fotografia 1 Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário 41 Fotografia 2 Geomembrana de PEAD em aterro sanitário 41 Fotografia 3 Tanque de chorume 42 Fotografia 4 Instalação dos dutos de captação de chorume 42 Fotografia 5 Drenos de chorume 43 Fotografia 6 Canalização de Águas Pluviais 43 Fotografia 7 Tubos de coleta de biogás 45 Fotografia 8 Tubos de coleta de biogás 45 Fotografia 9 Compressores para flare 46 Fotografia 10 Flare 48 Fotografia 11 Microturbina Capstone 60 Fotografia 12 Grupo gerador (motor ciclo Otto) de baixa potência 60 Fotografia 13 Grupo gerador (motor ciclo Otto) de alta potência 61 Fotografia 14 Vista do aterro classe I – CTR Caieiras 63 Fotografia 15 Vista do aterro classe II – CTR Caieiras 63 Fotografia 16 Vista aérea do aterro de Várzea Paulista 64 Fotografia 17 Vista do aterro de Sorocaba 65 Fotografia 18 Vista aérea do CGR – Paulínia 65 Fotografia 19 Impermeabilização do solo 66 Fotografia 20 Dreno de captação do biogás 66 Fotografia 21 Analisador instantâneo das características físico-químicas do biogás 67 Fotografia 22 Tanque de retenção de chorume 67 Fotografia 23 Tratamento do chorume 69 12 Fotografia 24 Transporte do biogás 69 Fotografia 25 Flare 70 Fotografia 26 Motogerador LANDSET 80 Fotografia 27 Poste de iluminação a gás 82 13 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 Consumo mundial de energia primária 17 Gráfico 2 Consumo de energia primária no Brasil 18 Gráfico 3 26 Gráfico 4 Relação entre o poder calorífico do biogás e porcentagem de metano em volume Destinação final do lixo no Brasil 36 Gráfico 5 Destino do lixo para Aterros Sanitários 37 Gráfico 6 Ciclo de ar-padrão ideal Brayton 51 Gráfico 7 Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Diesel, k=1,4 56 Gráfico 8 Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Otto, k=1,4 58 Gráfico 9 Comportamento da vazão de metano 77 Gráfico 10 (a) Curva de comportamento da potência. (b) Curva de comportamento da energia 78 14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico 26 Tabela 2 Equivalência de 1Nm³ de biogás em relação a outros combustíveis 27 Tabela 3 Comparação entre os principais gases 30 Tabela 4 Regiões com serviço de limpeza urbana e/ou coleta de lixo, por percentual de lixo coletado 32 Tabela 5 Tempo de degradação dos resíduos sólidos 36 Tabela 6 Comparação das emissões entre as tecnologias de conversão 59 Tabela 7 Previsão da quantidade de resíduos e ser depositados no CTR Caieiras 71 Tabela 8 Vazão de metano (CH4) 76 Tabela 9 Potência e energia disponível em função da vazão de metano 79 15 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 17 1.1 OBJETIVOS 20 1.1.1 Objetivo Geral 20 1.1.2 Objetivo Específico 20 1.2 JUSTIFICATIVA 20 1.3 METODOLOGIA 21 2 O ESTADO DA ARTE DO BIOGÁS 23 2.1 HISTÓRICO DO BIOGÁS 23 2.2 FORMAÇÃO DO BIOGÁS 24 2.2.1 Aspectos físico-químicos 25 2.2.2 Fatores que influenciam a geração de biogás 27 2.3 COMPARAÇÃO DO BIOGÁS COM OUTROS GASES 29 3 31 3.3 RESÍDUOS SÓLIDOS CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS QUANTO À NATUREZA OU ORIGEM CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS QUANTO AOS RISCOS POTENCIAIS AO MEIO AMBIENTE TEMPO DE DECOMPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS 3.4 ATERRAMENTO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS 37 3.1 3.2 4 32 34 34 ATERRO SANITÁRIO SISTEMA DE COLETA, EXTRAÇÃO E TRATAMENTO DO BIOGÁS DE 4.1 ATERRO 4.1.1 Captação do biogás 44 4.1.2 Sistema de compressão 46 4.1.3 Sistema de tratamento de condensado 47 4.1.4 Queima do biogás 47 4.1.5 Sistema de tratamento do biogás 48 5 TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS 49 5.1 TURBINAS A GÁS 49 40 45 5.1.1 Ciclo de ar-padrão ideal Brayton 50 5.1.2 Ciclo Brayton com regeneração 51 5.1.3 Microturbinas 53 5.2 54 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 16 5.2.1 Motores ciclo Diesel 55 5.2.2 Motores ciclo Otto 57 5.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO 58 6 62 ESTUDO DE CASO SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO ATERRO PARA IMPLEMENTAÇAO 62 DO PROJETO LEVANTAMENTO DOS DADOS TÉCNICOS 71 6.1 6.2 6.3 6.4 7 DETERMINAÇÃO DO POTENCIAL DE BIOGÁS A SER PRODUZIDO SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS CONCLUSÃO 73 REFERÊNCIAS 87 80 84 17 1 INTRODUÇÃO Desde os anos 70, a crise no setor elétrico brasileiro vem se agravando, visto que as tarifas da eletricidade se mantiveram mais baixas tornando inviáveis investimentos necessários para que a oferta de energia fosse garantida. Entre 1992 e 1997 o crescimento no consumo de eletricidade foi de mais de 16%, surgindo, dessa forma, grande preocupação com o déficit de energia e riscos de interrupção no fornecimento (VELÁZQUEZ, 2000). Diminuir a dependência de combustíveis fósseis e não renováveis e buscar soluções ambientalmente corretas, como a utilização da biomassa como fonte de energia, não apenas reduzirá os impactos globais pela queima de combustíveis fósseis como também contribuirá com a matriz energética dos países. Nota-se, a partir do Gráfico 1, a dependência mundial de fontes não renováveis de energia. Gráfico 1: Consumo Mundial de Energia Primária Fonte: BEN, 2006. O principal consumo energético brasileiro é de fonte hidráulica (eletricidade primária) e petróleo. A utilização de biomassa contribui com cerca de 29,7% para geração de 18 energia elétrica, como se pode observar no Gráfico 2 a seguir: Gráfico 2: Consumo de energia primária no Brasil Fonte: BEN, 2006. No Brasil, o PIB tem apresentado crescimento, porém a geração energética vem se mantendo em patamares estáveis e baixos diante do crescente. Porém, as emissões de dióxido de carbono crescem muito em relação ao PIB, aumentando então a preocupação com o meio ambiente. Com a necessidade do aumento da geração de energia, a busca de alternativas energéticas através de fontes de energia renovável tem sido tema de muito interesse. O gás metano é importante fonte de energia e também um gás de efeito estufa com potencial de aquecimento cerca de 20 vezes maior que o dióxido de carbono e responsável por 25% do aquecimento global (EPA, 2007). Uma das fontes emissoras de gases são os aterros e lixões. Desta forma, a geração de energia por meio da utilização do biogás de aterros se enquadra nos quesitos de desenvolvimento sustentável, visto que deixaria de ser lançado na atmosfera grande quantidade de metano. A presente pesquisa visa o estudo do biogás proveniente de aterro sanitário e 19 sua conversão em energia elétrica e iluminação a gás. No segundo capítulo é apresentado o histórico do biogás, seus aspectos físicoquímicos o os fatores que influenciam na sua geração. Também é realizada a comparação do biogás com outros gases combustíveis usuais. No terceiro capítulo são apresentados os resíduos sólidos, sua classificação quanto à origem e quanto aos riscos potenciais ao meio ambiente. É mostrado que, para fins de geração de biogás, a alternativa mais interessante é ao aterramento dos resíduos. No quarto capítulo tem-se a definição de aterro sanitário e são apresentados os sistemas de coleta, extração e tratamento do biogás de aterro, desde sua captação e tratamento, até a sua queima. No capítulo cinco, são estudadas as tecnologias de conversão do biogás em energia elétrica e iluminação a gás por meio de uma análise comparativa entre turbinas a gás, microturbinas a gás e motores de combustão interna, ciclo Diesel e ciclo Otto. No sexto capítulo é realizado um estudo de caso na Central de Tratamento de Resíduos – Caieiras, controlada pelo grupo Essencis, localizado na cidade de Caieiras, onde será instalado um sistema de geração de energia elétrica e outro de iluminação a gás. Foi realizada, neste capítulo, a determinação do potencial de biogás a ser produzido além da potência e energia disponíveis. O sistema de geração de energia elétrica e iluminação a gás que será implantado no aterro foi apresentado, além dos cálculos de consumo de biogás necessários. O capítulo seis trata das conclusões de pesquisas desenvolvidas no presente trabalho, demonstrando a viabilidade técnica e econômica da implementação desse sistema. 20 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral O objetivo geral deste trabalho é apresentar o estado da arte do biogás e as principais tecnologias da sua conversão em energia elétrica e iluminação, por meio de um estudo de caso. 1.1.2 Objetivo específico O objetivo específico deste trabalho é aplicar o conhecimento relativo ao biogás e suas tecnologias de conversão em energia elétrica e iluminação a gás por meio de um estudo de caso avaliando sua viabilidade técnica e econômica. 1.2 JUSTIFICATIVA Os aterros são responsáveis por grande parte das emissões de gás metano na atmosfera; o que é um grande problema visto que o metano é 21 vezes mais prejudicial se comparado ao dióxido de carbono. Além disso, tem-se a formação do chorume, líquido proveniente de resíduos sólidos; resultado principalmente da água de chuva que se infiltra no lixo e da decomposição biológica da parte orgânica dos resíduos sólidos; altamente poluidor (PROJETO APOEMA, 2006), que acarreta na poluição dos recursos hídricos, o que gera conseqüências negativas em nosso abastecimento além da fauna e flora aquáticas. Desta forma, este trabalho pretende apresentar a possibilidade de diminuição das emissões de metano para a atmosfera e a busca de novas tecnologias para geração de 21 energia elétrica por meio de uma fonte renovável, bem como o incentivo ao saneamento básico. Além disso, representará oferta de energia, reduzindo o consumo de energia proveniente de fontes não renováveis. 1.3 METODOLOGIA A metodologia utilizada para o desenvolvimento deste trabalho foi o estudo de caso. A primeira parte do trabalho foi realizada teoricamente, baseada em pesquisas em artigos técnicos, relatórios, dissertações de mestrado, teses de doutorado, juntamente com a literatura disponível. Dessa forma, foi feito o levantamento do estado da arte do biogás, além da classificação dos resíduos sólidos e métodos de aterramento desses resíduos em aterros sanitários. Um estudo comparativo das técnicas de conversão de biogás em energia também foi realizado. O estudo de caso realizado, complementa e comprova a teoria por meio de um caso real de geração de energia elétrica e iluminação a gás, em um aterro sanitário. Para tal, foram realizadas pesquisas de campo no aterro selecionado e contato direto com a equipe executora do projeto. Desta forma, foram seguidas as cinco características gerais de um estudo de caso, conforme Yin (2001): ser significativo, abordando temas teóricos importantes e de interesse do público geral; ser completo, demonstrando que o pesquisador realizou grande esforço para coletar evidências pertinentes; considerar perspectivas alternativas; exibir suficiente evidência, para que se consiga atingir o que se pretendeu ilustrar e, finalmente, ser atrativo, com redação clara e interessante. A metodologia estudo de caso tem início com a seleção de um aterro para a implementação do projeto e sua caracterização. Na fase seguinte, é feito o levantamento dos 22 dados técnicos, onde foram descritas as principais características do aterro e os sistemas já instalados para captação e queima do biogás. Foram realizados, então, os cálculos para determinação do potencial de biogás a ser produzido e, por meio de software específico, estimadas a potência disponível e a capacidade de geração de energia elétrica no aterro em questão. A última etapa da metodologia consistiu na apresentação do sistema de geração de energia elétrica e de iluminação a gás, que são utilizados no Estudo de Caso, além da estimativa do consumo de biogás pelos mesmos. 23 2 O ESTADO DA ARTE DO BIOGÁS O biogás, até pouco tempo, era considerado como um subproduto obtido por meio da decomposição de lixo urbano, do tratamento de efluentes domésticos e resíduos animais. Porém, a alta dos preços dos combustíveis convencionais e o crescente desenvolvimento econômico vem estimulando pesquisas de fontes renováveis para produção de energia tentando criar, deste modo, novas formas de produção energética que possibilitem a redução da utilização dos recursos naturais esgotáveis. A conversão energética do biogás pode ser apresentada como uma solução para o grande volume de resíduos produzidos por atividades agrícolas e pecuárias, destilarias, tratamento de esgotos domésticos e aterros sanitários, visto que reduz o potencial tóxico das emissões de metano ao mesmo tempo em que produz energia elétrica, agregando, desta forma, ganho ambiental e redução de custos (COSTA, 2002). 2.1 HISTÓRICO DO BIOGÁS Segundo Coelho (2001), a descoberta do biogás, também denominado gás dos pântanos, foi atribuída a Shirley em 1667. Já em 1776 Alessandro Volta reconheceu a presença de metano no gás dos pântanos. No século XIX o aluno de Louis Pasteur Ulysse Grayon realizou a fermentação anaeróbia (decomposição sem presença de oxigênio) de uma mistura de estrume e água, a 35ºC, obtendo então 100 litros de gás/m³ de matéria. No ano de 1884, ao apresentar os trabalhos do seu aluno à Academia das Ciências, Louis Pasteur considerou que a fermentação podia construir uma fonte de aquecimento e iluminação (PECORA, 2006). Nas décadas de 50 e 60, Índia e China foram os primeiros países a utilizar o 24 processo de biodigestão, sendo que desenvolveram seus próprios modelos de biodigestores. A tecnologia da digestão anaeróbia foi trazida para o Brasil com a crise do petróleo na década de 70. Diversos programas de difusão foram implantados no nordeste, porém os resultados não foram satisfatórios e os benefícios obtidos não foram suficientes para dar continuidade ao programa (COELHO, 2001). De acordo com Pecora (2006), com a crise do petróleo, diversos países buscaram alternativas para sua substituição, acarretando em um grande impulso na recuperação de energia gerada pelos processos de tratamento anaeróbio. Porém, as soluções para os problemas de desenvolvimento devem ser apropriadas às necessidades, capacidades e recursos humanos, recursos financeiros e cultura. Deste modo, o impulso recebido durante a crise não chegou a substituir os recursos não renováveis por fontes renováveis. 2.2 FORMAÇÃO DO BIOGÁS O biogás é formado a partir da degradação da matéria orgânica. Sua produção é possível a partir de uma grande variedade de resíduos orgânicos como lixo doméstico, resíduos de atividades agrícolas e pecuárias, lodo de esgoto, entre outros. É composto tipicamente por 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono, amônia, oxigênio e aminas voláteis. Dependendo da eficiência do processo, o biogás chega a conter entre 40% e 80% de metano (PECORA, 2006). Até ser compactado e coberto, o lixo permanece por certo tempo descoberto no aterro, em contato com o ar atmosférico. Neste período já é verificada a presença do biogás, que continuará sendo emitido após a cobertura e encerramento da célula do aterro (ENSINAS, 2003). 25 A formação e taxa de geração dos principais constituintes do aterro é variável ao longo do tempo. Em condições normais, a taxa de decomposição atinge um pico entre o primeiro e segundo ano e diminui continuamente por alguns anos. No aterro Essencis, por exemplo, as atividades tiveram início em setembro de 2002 e a primeira célula do aterro foi fechada por volta de agosto de 2004. Nesta célula, chamada de fase 1, houve a deposição de grande quantidade de resíduo industrial, o que não favorece a formação do biogás, pois não gera metano. Porém, segundo dados coletados a partir de informações de técnicos do aterro, uma previsão geral é que a geração do biogás após o encerramento da célula se prolongue por cerca de 20 anos (FREITAS, 2007). 2.2.1 Aspectos físico-químicos Visto que no biogás as concentrações de outros gases são muito pequenas se comparados ao metano e gás carbônico, pode-se restringir as propriedades físico-químicas apenas a esses dois componentes. Porém, esses gases presentes em menor quantidade, como por exemplo, o gás sulfídrico, influenciam na escolha da tecnologia de operação, limpeza e combustão (PECORA, 2006). Algumas propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico podem ser observadas na Tabela 1. O principal componente do biogás é o metano, quando se trata de utilizá-lo como combustível. Segundo Alves (2000), a presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de carbono) prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente. Estas substâncias entram com o combustível no processo de combustão e absorvem parte da energia gerada. O poder calorífico do biogás se torna menor à medida que se eleva a concentração das impurezas. Segundo Pecora, 2006, outros aspectos importantes que devem ser 26 considerados são a umidade, visto que afeta a temperatura da chama, diminuição do poder calorífico e limites de inflamabilidade. Outro parâmetro importante quando se deseja a manipulação do gás para armazenamento é o volume específico, representado pelo peso específico. Estudos realizados mostraram que, de acordo com a quantidade de metano no biogás seu poder calorífico aumenta, visto que o CO2 é a forma mais oxidada do carbono não podendo ser queimado. Tabela 1: Propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico. Dióxido de Gás Sulfídrico Propriedades Metano (CH4) Carbono (CO2) (H2S) Peso Molecular 16,04 44,01 34,08 Peso Específico 0,555ª 1,52ª 1,189b Ar=1 Volume 1473,3cm³/ga 543,1cm³/ga 699,2cm³/ga Específico Capacidade Calorífica, Cp, a 1 0,775 kcal/kgoCa 0,298 kcal/kgoCa 0,372 kcal/kgoCa atmosfera Relação CP/CV 1,307 1,303 1,320 Poder Calorífico 13,268 kcal/kg 0 kcal/kg 4,633 kcal/kg Limite de 5-15% por 4-46% por Nenhum Inflamabilidade volume volume Obs.: a -60 º C, 1 atm; b -70 º C, 1 atm; c -77 º C, 1 atm. Fonte: PECORA, 2006. O Gráfico 3 mostra a relação entre o poder calorífico do biogás (kcal/m³) e a porcentagem de metano, em volume, presente no mesmo. Gráfico 3: Relação entre o poder calorífico do biogás e porcentagem de metano em volume. Fonte: ALVES, 2000. 27 A equivalência energética do biogás em relação a outros combustíveis é determinada levando em conta o poder calorífico e a eficiência média de combustão. A Tabela 2 mostra a equivalência de 1Nm³ de biogás. Tabela 2: Equivalência de 1Nm³ de biogás em relação a outros combustíveis. Quantidade Combustível equivalente a 1Nm³ de biogás Carvão Vegetal 0,8 kg Lenha 1,5 kg Óleo Diesel 0,55 l Querosene 0,58 l Gasolina Amarela 0,61 l GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) 0,45 l kWh 1,43 Álcool Carburante 0,80 l Carvão Mineral 0,74 kg Fonte: CARDOSO FILHO, 2001. O biogás pode substituir outros combustíveis utilizados na indústria. Como pode ser verificado na Tabela 2, com 1Nm³ de biogás obtêm-se a energia equivalente à de 1,5 kg de lenha ou 0,74 kg de carvão mineral, por exemplo. Visto que é uma fonte primária de energia, o biogás pode ser utilizado para iluminação de residências, aquecimento de água, além de aquecimento de caldeiras e fornos em usos industriais. O biogás não é tóxico, porém atua sobre o organismo humano diluindo o oxigênio, o que pode provocar morte por asfixia. Não é solúvel em água e sua combustão não libera resíduos (LIMA, 2005). 2.2.2 Fatores que influenciam a geração do biogás Segundo FILHO (2005), a capacidade de um aterro gerar gás vai depender de muitos fatores como, por exemplo, a composição do resíduo, umidade, pH, entre outros. Os fatores que afetam a geração de biogás são descritos a seguir: 28 a) Composição do resíduo – quanto maior a porcentagem de material orgânico no resíduo, maior será o potencial de produção de biogás no aterro. Resíduos de alimentos são exemplos de matéria orgânica facilmente decomposta, o que acelera a taxa de produção do gás. Materiais que se decompõe lentamente, como grandes pedaços de madeira, não contribuem significantemente com a geração de gás; b) Umidade – Depende da umidade inicial do resíduo, da infiltração da água da superfície e do solo, e da água produzida na decomposição. Quanto maior o teor de umidade, maior será a taxa de produção do biogás; c) Tamanho das partículas – quanto menor a unidade da partícula, maior será a área da superfície específica e, portanto, a decomposição será mais rápida se comparada a uma partícula de menor área. Por exemplo, a decomposição de um tronco de madeira ocorrerá mais rápida se este for cortado em pedaços menores ao invés de ser disposto inteiro; d) Idade do resíduo – a geração do biogás num aterro possui duas variáveis dependentes do tempo: tempo de atraso (período que vai da disposição do resíduo até o início da geração do metano) e tempo de conversão (período que vai da disposição do resíduo até o término da geração do metano); e) pH – Dentro da faixa ótima de pH a produção do metano é maximizada e fora dessa faixa – um pH abaixo de 6 ou acima de 8 – a produção de metano fica estritamente limitada; f) Temperatura – As condições de temperatura de um aterro influenciam os tipos de bactérias predominantes e o nível de produção de gás. As máximas temperaturas do aterro freqüentemente são alcançadas dentro de 45 dias após a disposição dos resíduos, como um resultado da atividade aeróbia microbiológica. Elevadas temperaturas de gás dentro de um aterro são o resultado da atividade biológica. As temperaturas típicas do gás produzido eu um aterro variam, tipicamente, entre 30 a 60º C; e g) Outros fatores – Outros fatores que podem influenciar a taxa de geração de gás são os 29 nutrientes, bactérias, compactação de resíduos, dimensões do aterro (área e profundidade), operação do aterro e processamento de resíduos variáveis. 2.3 COMPARAÇÃO DO BIOGÁS COM OUTROS GASES O crescimento de pesquisas de fontes alternativas de energia teve início devido à crise energética mundial. Atualmente, os combustíveis fósseis representam grande parcela do consumo do setor energético, porém o encarecimento desses combustíveis e os prejuízos ambientais por eles provocados tornarão viáveis, de forma progressiva, outras fontes energéticas consideradas, ainda, não econômicas. O gás metano, constituinte do biogás em grande proporção, pode ser apresentado como uma importante alternativa energética, visto que, por estar presente no lixo e no esgoto é, praticamente, inesgotável. Portanto, o biogás pode realizar significativo papel na substituição do petróleo e seus derivados (LAENDER, 2004). Na Tabela 3 são mostradas as principais diferenças entre o biogás e os demais gases combustíveis usuais. Existe uma importante diferença quanto à origem dos gases citados na Tabela 3. Enquanto o biogás de aterro é obtido por meio da degradação da matéria orgânica os demais gases provêm de processos industriais, excetuando-se o gás natural que é encontrado em reservatórios de petróleo e gás no subsolo. O GLP, como pode ser observado, é o único que possui peso molecular maior que o do ar, resultando, em caso de vazamento, maior concentração nos níveis do solo enquanto os demais se dispersam rapidamente (CONPET, 1997). O gás de rua é o de menor poder calorífico, necessitando então de maior quantidade de gás quando comparado aos outros gases para liberar a mesma quantidade de energia na queima. Segundo Yura (2006), o poder calorífico do biogás varia de 5.000 a 7.000 30 kcal/m³, dependendo da quantidade de metano presente na mistura. Tipos de gás ORIGEM Tabela 3: Comparação entre os principais gases GÁS GÁS DE GÁS DE BIOGÁS GLP NATURAL RUA REFINARIA Reforma Destilação de termo Reservatórios Processos de Aterros petróleo e catalítica de de petróleo e refino de Sanitários processamento gás natural ou de gás petróleo de gás natural de nafta petroquímica PESO MOLECULAR 27 17 a 21 44 a 56 16 24 PODER CALORÍFICO kcal/m³ 5.600 Rico: 10.900 Processado: 9.300 24.000 a 32.000 4.300 10.000 DENSIDADE RELATIVA 0,923 0,58 a 0,72 1,5 a 2,0 0,55 0,82 PRINCIPAIS COMPONENTES Metano, dióxido de carbono e hidrogênio Metano e etano Propano e butano Fonte: CONPET, 1997. Hidrogênio, metano, Hidrogênio, nitrogênio, nitrogênio, monóxido de metano, etano carbono 31 3 RESÍDUOS SÓLIDOS A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), NBR 10004, define resíduos sólidos como resíduos nos estados sólidos ou semi-sólidos, que resultam de atividades da comunidade de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Incluem-se os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos, instalações de controle de poluição e líquidos cujas particularidades tornem inviável seu lançamento na rede pública de esgoto, ou exijam soluções técnicas economicamente inviáveis. O aumento desordenado da população e o crescimento sem planejamento de grandes núcleos urbanos dificulta as ações de manejo dos resíduos. Por falta de recursos, essas ações acabam sendo postergadas acarretando problemas de saúde e ambientais. Segundo dados da Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (PNSB) do ano de 2000, do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), dos 5475 municípios do Brasil, apenas 1814 possuíam 100% de serviços de limpeza urbana e/ou coleta de lixo, representando uma faixa de apenas 33%. Os dados são ilustrados na Tabela 4. Esses resíduos, quando acumulados no meio ambiente, de forma inadequada, causam problemas de poluição e caracterizam também um desperdício da matéria originalmente utilizada. Os resíduos sólidos infectantes apresentam risco à saúde pública e ao meio ambiente devido à presença de agentes biológicos, entretanto os resíduos sólidos comuns não apresentam tais riscos, como pode ser observado na classificação a seguir. 32 Tabela 4: Regiões com serviço de limpeza urbana e/ou coleta de lixo, por percentual de lixo coletado. Municípios com serviços de limpeza urbana e/ou coleta de lixo REGIÃO Percentual de domicílios com lixo coletado (%) Total Mais Mais Mais Mais Até 50 de 50 a de 70 a de 80 a de 90 a 70 80 90 99 Com 100 Não sabe ou sem declaração Norte 445 66 139 99 74 18 33 16 Nordeste 1769 241 357 329 306 131 345 60 Sudeste 1666 28 84 163 270 190 854 77 Sul 1149 148 127 132 202 134 367 39 Centro-Oeste 446 6 21 48 102 52 215 2 Brasil 5475 489 728 771 954 525 1814 194 Fonte: PNSB; IBGE, 2000. 3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS QUANTO À NATUREZA OU ORIGEM Segundo IBAM, 2001 os resíduos podem ser classificados, quanto à sua natureza ou origem, da seguinte forma: a) Resíduos domiciliares: são os gerados nas atividades diárias em residências, constituídos geralmente por restos de alimentos, jornais e revistas, embalagens em geral, papel higiênico e diversos outros itens como até alguns resíduos tóxicos; b) Resíduos comerciais: são gerados em estabelecimentos comerciais variando de acordo com a atividade desenvolvida. São, normalmente, constituídos dos mesmos itens encontrados 33 no lixo doméstico, porém em maior proporção; c) Resíduos urbanos: são gerados pela limpeza pública (ruas, praças, praias, terrenos, entre outros) e constituídos por restos vegetais diversos, corpos de animais, embalagens; d) Entulho: resíduos gerados pela construção civil, compostos em sua maioria, por uma mistura de materiais inertes como concreto, argamassa, madeira, plásticos, metais e terra. Também podem conter materiais que conferem toxidade como tintas, solventes e peças de amianto; e) Resíduos especiais: são gerados por hospitais, farmácias, indústrias e merecem cuidados especiais em seu manuseio, transporte ou disposição final. Geralmente, o tratamento mais indicado é a incineração; f) Resíduos de Portos, Aeroportos, Terminais Rodoviários e Ferroviários: possuem legislação própria e não se encaixam nos urbanos e nos comerciais, pois podem hospedar doenças provenientes de outras cidades, estados ou países. São constituídos por restos de alimentos e material de higiene pessoal; g) Resíduos industriais: são gerados pelas atividades industriais apresentando características diversificadas, pois dependem do tipo do produto manufaturado podendo ser exemplificados por óleos, plásticos, papel, madeira, borracha, metal, vidros, fibras, resíduos alcalinos e ácidos; h) Resíduos radioativos: são provenientes das atividades nucleares (resíduos de atividades com urânio, césio, tório, radônio e cobalto) devendo ser manuseados apenas com equipamentos e técnicas adequadas; e i) Resíduos agrícolas: gerados nas atividades pecuárias e agrícolas como embalagens de ração, adubos, etc. O lixo proveniente de fertilizantes químicos e pesticidas são tidos como tóxicos e necessitam de tratamento especial. 34 3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS QUANTO AOS RISCOS POTENCIAIS AO MEIO AMBIENTE Segundo a NBR 10004 (ABNT, 2004), os resíduos sólidos são classificados em dois grupos: perigosos e não-perigosos. Este último ainda pode ser subdividido em inertes e não- inertes: a) Resíduos Classe I: denominados perigosos, são os resíduos sólidos que, devido às suas características, podem apresentar riscos à saúde pública. As características que conferem periculosidade a um resíduo são a inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade e patogenicidade (ou contaminantes); b) Resíduos Classe II: denominados não-perigosos, são os resíduos sólidos que não apresentam riscos ao ser humano e ao meio ambiente, sendo subdivididos em: c) Resíduos Classe II A: denominados inertes, são os resíduos sólidos que, submetidos a testes de solubilização, não tenham nenhum de seus constituintes solubilizados em concentrações superiores aos padrões de potabilidade de águas, excetuando-se os padrões relativos ao aspecto, cor, turbidez e sabor; e d) Resíduos Classe II B: denominados não inertes, são os resíduos que não se enquadram na Classe I ou na Classe II A, podendo ter propriedades, tais como, combustibilidade, biodegradabilidade, ou solubilidade em água. Essa classificação pode ser representada conforme o Fluxograma 1. 3.3 TEMPO DE DECOMPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS No Brasil a cada 100 habitantes, 75 moram em cidades e o restante na zona 35 rural. Devido ao aumento da migração da zona rural para as grandes cidades ocorre o desequilíbrio do gerenciamento do lixo, forçando as prefeituras a correrem contra o tempo para disponibilizar lugares para disposição correta do lixo urbano (FILHO, 2005). Fluxograma 1: Classificação dos Resíduos Sólidos. Fonte: ABNT, 2004. Segundo o PNSB; IBGE, 2000, a disposição final do lixo no Brasil está assim representada conforme a Gráfico 4 a seguir. Este gráfico evidencia a desproporção entre a disposição correta e incorreta do lixo, pois parte dele não é coletado, permanecendo nos logradouros ou sendo descartado em lugares públicos, terrenos baldios, encostas ou cursos de 36 água. O lixo destinado de forma errada é prejudicial ao meio ambiente. A Tabela 5 mostra o tempo que a natureza leva para biodegradar alguns materiais presentes na composição do lixo, quando há condições favoráveis para este processo de decomposição. Gráfico 4 – Destinação final do lixo no Brasil Fonte: PNSB; IBGE, 2000. Tabela 5: Tempo de degradação dos resíduos sólidos Material Tempo de Degradação Papel 3 a 6 meses Jornal 6 meses Toco de cigarro 20 meses Chiclete 5 anos Pedaço de pano 6 meses a 1 ano Fralda descartável comum 450 anos Fralda descartável biodegradável 1 ano Latas e copos de plástico 50 anos Latas de aço 10 anos Tampas de garrafa 150 anos Isopor 8 anos Garrafa plástica 400 anos Pneus 600 anos Vidro Indeterminado Fonte: CAGECE, 2005. 37 3.4 ATERRAMENTO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS Para fins de geração de biogás, a alternativa mais interessante é a de aterros sanitários, visto que eles dispõem de técnicas de captação dos gases liberados, porém como se pode verificar no Gráfico 5 a seguir, poucos municípios destinam lixo para aterros sanitários. Gráfico 5 - Destino do lixo para Aterros Sanitários. Fonte: Atlas de Saneamento, IBGE, 2000. Segundo Filho (2005), o processo de aterramento dos resíduos pode ser executado de três formas: a) Método da Trincheira ou Vala – consiste na abertura de valas onde o lixo é disposto, compactado e posteriormente coberto com solo (Esquema 1). As valas podem ser de grande ou pequena dimensão. b) Método de Rampa ou Escavação Progressiva – consiste na escavação da rampa, onde o lixo é disposto, compactado pelo trator e posteriormente coberto com solo. (Esquema 2). É empregado, geralmente, em áreas de meia encosta, onde o solo natural 38 ofereça condições para ser escavado e possa ser então utilizado como material de cobertura. Esquema 1 – Método da Trincheira. Fonte: FILHO, 2005. Esquema 2 – Método de Rampa. Fonte: FILHO, 2005. c) Método de Área – empregado na maioria das vezes em locais cuja topografia é plana e o lençol freático é raso (nível bem baixo). O Esquema 3 a seguir ilustra o método apresentado. A opção por uma desses métodos dependerá de fatores como características físicas e geográficas da área e do volume do lixo disposto (FILHO, 2005). O Esquema 4 39 ilustra o esquema da coleta dos gases feita por tubos que os conduzirão a uma unidade de beneficiamento. Esquema 3 – Método de Área. Fonte: FILHO, 2005. Esquema 4- Retenção e coleta de fluidos em locais de disposição de resíduos sólidos. Fonte: ALVES, 2000. As superfícies inferior e superior devem ser compostas por material impermeável para evitar a contaminação do solo pelo chorume, resíduo líquido altamente poluidor, proveniente de resíduos sólidos resultado de infiltrações de água de chuva e da decomposição biológica da parte orgânica dos resíduos sólidos (SEMA, 2007). 40 4 ATERRO SANITÁRIO O aterro sanitário é a forma de disposição final de resíduos sólidos urbanos no solo através do seu confinamento em camadas cobertas com terra, atendendo às normas operacionais, de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança, minimizando os impactos ambientais. O esquema de um aterro sanitário pode ser representado conforme o Esquema 5. Esquema 5: Corte esquemático de um aterro. Fonte: RECICLOTECA, 2007. Segundo AMBIENTE BRASIL, durante a projeção do aterro são realizados estudos geológicos e topográficos para selecionar a área a ser destinada, de forma que o meio ambiente não seja comprometido com a sua instalação. A impermeabilização do solo é feita por meio de camadas de argila e uma geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD) para evitar infiltração dos líquidos percolados (chorume) no solo, como pode ser visto no Esquema 6 e nas Fotografias 1 e 2 a seguir. 41 Esquema 6: Impermeabilização do solo. Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005. Fotografia 1: Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário. Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005. Fotografia 2: Geomembrana de PEAD em aterro sanitário. Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005. 42 O lixo é depositado sobre o terreno e depois recoberto com camadas do solo do próprio local, isolando-o do meio ambiente. Formam-se então câmaras, nas quais é produzido o gás e liberado o chorume. O chorume é captado através de tubulações e escoado para tanques de tratamento (Fotografia 3). O sistema de drenagem do chorume pode ser observado nas Fotografias 4 e 5. Fotografia 3: Tanque de chorume. Fonte: CENBIO, 2006. Fotografia 4: Instalação dos dutos de captação de chorume. Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005. 43 Fotografia 5: Drenos de chorume. Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005. Para evitar o excesso de água de chuva, são colocados tubos ao redor do aterro, que permitem o desvio dessa água (Fotografia 6), que são armazenados em lagos para posterior utilização. Fotografia 6: Canalização de Águas Pluviais. Fonte: CIAS, 2003. Os gases liberados durante a decomposição dos resíduos são captados e podem ser queimados em flare ou ainda utilizados como fonte de energia. O local da instalação do 44 aterro deve ser cuidadosamente escolhido, abrangendo grandes dimensões e, devido a alguns inconvenientes como mau cheiro, tráfego de caminhões de lixo, etc., deve estar localizado distante das concentrações urbanas. 4.1 SISTEMAS DE COLETA, EXTRAÇÃO E TRATAMENTO DO BIOGÁS DE ATERRO A forma mais simples de coletar gases do aterro é através da extração do biogás por meio de tubos verticais perfurados. Podem ser colocados tubos de sucção horizontais quando o lixo ainda está sendo depositado no aterro e assim ele poderá ser extraído desde o início da sua produção (WILLUMSEN, 2001). Em aterros sanitários construídos conforme a norma nacional vigente, já está prevista a colocação desta tubulação para a coleta do gás. Algumas vezes, uma membrana impermeável protetora é colocada sobre o aterro e assim, quase todo o biogás pode ser coletado e recuperado. Porém esta solução é muito cara, utilizada em países com demanda limitada. Essa membrana obstrui a entrada de água impedindo assim a formação do biogás. Para que haja continuidade na produção de biogás, se faz necessária a injeção de água sob a membrana ou promover a recirculação do chorume injetando-o da mesma maneira. Um sistema padrão de coleta do biogás de aterro é composto por poços de coleta e tubos condutores, sistema de compressão e sistema de purificação do biogás. O sistema de coleta possui tubos verticais perfurados ou canais e em alguns casos membrana protetora. Além disto, a maioria dos aterros sanitários com sistema de recuperação energética possui flare para queima do excesso do biogás ou para uso durante os períodos de manutenção dos equipamentos (MUYLAERT, 2000; WILLUMSEN, 2001). 45 4.1.1 Captação do Biogás A coleta de gás normalmente começa após uma porção do aterro ser fechada. Cada uma das pontas do tubo é conectada a uma tubulação lateral que transporta o gás para um coletor principal. O sistema de coleta (Fotografia 7 e 8) deve ser planejado para que o operador possa monitorar e ajustar o fluxo de gás se necessário (MUYLAERT, 2000). O biogás é succionado do aterro por meio de pressão nos tubos de transmissão. Fotografia 7: Tubos de coleta de biogás. Fonte: CENBIO, 2006. Fotografia 8: Tubos de coleta de biogás. Fonte: CENBIO, 2006. A conexão entre poço com a bomba e o sistema de utilização pode ser feita de 46 diversas maneiras. Os poços são ligados a um tubo principal que percorre o aterro. O problema deste sistema é a dificuldade de regular a quantidade e qualidade do biogás, além de encontrar o local do vazamento quando todos os tubos estão ligados a um grande sistema. Para uma operação mais segura, econômica e com melhores condições para os trabalhadores, uma solução é ter um tubo para cada poço ligado a uma bomba e uma casa de regulagem (WILLUMSEN, 2001). 4.1.2 Sistema de Compressão A sucção do gás dos poços de coleta é realizada por um compressor. Os compressores (Fotografia 9) também podem ser necessários para comprimir o gás antes de entrar no sistema de recuperação energética. O tamanho, tipo e número de compressores necessários dependerão da taxa do fluxo de gás e do nível de compressão desejado, que pode ser determinado pelo equipamento de conversão energética (TOLMASQUIM, 2003). Fotografia 9: Compressores para flare. Fonte: CENBIO, 2006. 47 4.1.3 Sistema de Tratamento de Condensado Quando o biogás (quente) produzido pelo aterro passa pela tubulação, acaba resfriando formando então um condensado. Caso não se remova esse condensado o sistema de coleta pode ser bloqueado interrompendo, então, o processo de recuperação de energia. O controle do condensado tem início no sistema de coleta onde são utilizados conectores e tubos inclinados para permitir a drenagem em tanques e após a coleta o condensado é removido. Os métodos para disposição do condensado são: descarga no sistema público de esgoto, sistema de tratamento local, e recirculação para o aterro sanitário. O melhor método dependerá das características do condensado (em função dos componentes do lixo local), do custo do tratamento, além da legislação e regulação vigentes (TOLMASQUIM, 2003). 4.1.4 Queima do biogás O flare (Fotografia 10) é um dispositivo utilizado na ignição e queima do biogás. É considerado um componente de cada opção de recuperação de energia, visto que pode ser necessário durante as etapas de início do processo e manutenção do sistema. Também pode ser utilizado para queima do biogás excedente entre os upgrades de sistemas, podendo ser abertos (ou vela) ou enclausurados. Estes últimos são mais caros, mas podem ser requeridos porque proporcionam testes de concentração e podem obter eficiências de combustão altas. Além do que, flares enclausurados podem reduzir o nível de ruído e iluminação (MUYLAERT, 2000). 48 Fotografia 10: Flare. Fonte: CENBIO, 2006. 4.1.5 Sistema de Tratamento do Biogás Após a coleta e antes da sua utilização no processo de conversão de energia, o biogás é tratado para a remoção de algum condensado que não foi coletado, assim como particulados e impurezas em geral. Para sua utilização em caldeiras, um tratamento mínimo é requerido; em gasodutos é indispensável um tratamento extensivo para remover o CO2. No caso da geração de energia podem ser utilizados filtros para a remoção de impurezas, visto que estas podem danificar os componentes do motor ou da turbina, reduzindo a eficiência do sistema. (TOLMASQUIM, 2003). 49 5 TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS Pecora (2006) diz que a conversão energética do biogás é o processo de transformação da energia química das moléculas do biogás, por meio de uma combustão controlada, em energia mecânica, que por sua vez será convertida em energia elétrica. As tecnologias convencionais para a transformação energética do biogás são as turbinas a gás e os motores de combustão interna, que estão detalhadas a seguir. Existem também tecnologias emergentes como as células de combustíveis que, ainda em fase de desenvolvimento e aperfeiçoamento, pode ser considerada uma tecnologia promissora (CASTRO, 2006). 5.1 TURBINAS A GÁS As turbinas a gás podem ser classificadas, de acordo com o ciclo de operação, em ciclo fechado e ciclo aberto, sendo o último, o mais comum. O modo aberto é ilustrado no Fluxograma 2a, onde o fluido de trabalho é comprimido (no compressor) elevando-se a pressão. Este processo não tem nenhum calor adicionado, visto que o compressor, em condições ideais, opera em regime adiabático, fazendo com que o trabalho de compressão aumente a temperatura do ar. Este então entra na câmara de combustão e, em contato com o combustível, reage, iniciando o processo de queima. Os gases resultantes da combustão, à elevada temperatura, expandem-se na turbina gerando energia mecânica, além de acionar o compressor. O trabalho útil produzido é calculado pela diferença entre o trabalho da turbina e o consumido pelo compressor. No ciclo fechado, ilustrado no Fluxograma 2b, os gases que deixam a turbina passam por um trocador de calor onde sofrem resfriamento para entrar novamente no compressor (MORAN; SHAPIRO, 2002). Esta configuração apresenta, 50 portanto, melhor aproveitamento do calor e a possibilidade de operação em pressões elevadas (SANTOS, 2003). Fluxograma 2 – Turbina a gás: (a) circuito aberto – processo real de combustão interna; (b) circuito fechado – aproximação por um processo ideal de transferência de calor. Fonte: CASTRO, 2006. Segundo Moran e Shapiro (2002), visando à simplificação do processo, o estudo de instalações de potência com turbinas a gás é a de uma análise de ar-padrão, onde sempre são estabelecidas duas hipótese: o ar é o fluido de trabalho (se comporta como gás ideal) e o aumento de temperatura que seria obtido por meio da combustão é realizado por meio de uma fonte externa de calor. Pode-se dizer, ainda, que o ciclo aberto é o processo real de combustão interna enquanto que o ciclo fechado é a aproximação de um processo ideal de transferência de calor. 5.1.1 Ciclo de ar-padrão ideal Brayton Nas condições simplificativas anteriormente citadas (ciclo fechado), os sistemas de potência equipados com turbinas a gás operam de acordo com o ciclo de Brayton 51 e são compostos por quatro processos. De acordo com as idealizações do ar-padrão, desconsiderando as perdas por transferência de calor para o ambiente e as perdas de carga por atrito, além de que o ar escoa a pressão constante através do trocador de calor, os processos no compressor e na turbina são considerados isoentrópicos (MORAN; SHAPIRO, 2002). Os quatro processos envolvidos são descritos a seguir e podem ser observados no Gráfico 6. Gráfico 6: Ciclo de ar-padrão ideal Brayton. Fonte: MORAN; SHAPIRO, 2002. Por meio do Gráfico 6, podem-se identificar os quatro processos: 1-2: Compressão isoentrópica no compressor; 2-3: Aumento de temperatura a pressão constante; 3-4: Expansão isoentrópica na turbina e; 4-1: Recuperação de calor a pressão constante. 5.1.2 Ciclo Brayton com regeneração Caso os gases provenientes da turbina fossem descarregados diretamente para o ambiente, grande quantidade de energia estaria sendo desperdiçada, visto que a temperatura de saída desses gases é normalmente superior à ambiente. Através de um trocador de calor (regenerador) é possível utilizar esse potencial energético pré-aquecendo o ar antes de entrar 52 na câmara de combustão, reduzindo a quantidade de combustível a ser queimado (MORAN; SHAPIRO, 2002). O ciclo ar-padrão Brayton com regenerador é mostrado no Fluxograma 3a. O gás que deixa a turbina é resfriado do estado 4 ao estado y e o ar que deixa o compressor é aquecido do estado 2 ao estado x (Fluxograma 3b). Fluxograma 3 – (a) Ciclo de ar-padrão de turbina a gás regenerativa. (b) Diagrama T x s do sistema regenerativo. Fonte: MORAN; SHAPIRO, 2002. Ainda segundo Moran e Shapiro (2002), para que ocorra o aumento da temperatura do estado x ao estado 3 é necessária a transferência de calor de uma fonte externa e, portanto, o calor adicionado por unidade de massa é dado pela Equação 1: ⋅ Q entra ⋅ m = h3 − hx , onde: . m : vazão mássica (kg/s) h3: entalpia no ponto 3 (kJ/kg) hx: entalpia no ponto x (kJ/kg) (Eq. 1) 53 Visto que o calor adicionado é reduzido e a potência líquida não sofre alteração com a presença de um regenerador, conclui-se que a eficiência térmica aumenta. 5.1.3 Microturbinas As microturbinas possuem o mesmo princípio de funcionamento das turbinas a gás de circuito aberto, apresentando possibilidade de geração de eletricidade em pequena escala. Apresenta alta confiabilidade, simplicidade de projeto, é compacta, de fácil instalação e manuseio. Foram, inicialmente, construídas para aplicações em transporte como motores de ônibus e turbinas de aviões e, posteriormente, aplicadas em sistemas de geração de energia elétrica e cogeração (GOMES et. al., 2001). A redução no consumo de combustível e máxima geração de potência, elevam a eficiência do ciclo. Pode-se realizar o resfriamento do ar de combustão na entrada do compressor, obtendo-se, desta forma, melhor eficiência e potência destes ciclos, já que o ar, a elevadas temperaturas apresenta menor densidade, reduzindo a massa de ar a ser fornecida à turbina. O resfriamento do ar pode ser feito com a utilização de sistemas evaporativos por painéis de contato (PEREIRA, 2003). O Fluxograma 4 mostra uma microturbina constituída basicamente por um ciclo Brayton aberto com um painel evaporativo acoplado à entrada de ar do compressor. No resfriador evaporativo direto (RED) o ar sofre resfriamento e umidificação antes de entrar no compressor (1). Na saída do compressor o ar é insuflado para a câmara de combustão (CC) onde é queimado com o combustível gerando os produtos de combustão que sofrerão expansão na microturbina a gás (GMT) gerando trabalho de eixo (PIMENTA; CASTRO, 2003). 54 5.2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA O motor de combustão interna é assim chamado por realizar trabalho queimando uma mistura de vapor e combustível dentro de um cilindro. O trabalho mecânico é gerado com a transformação do movimento retilíneo do pistão em circular por meio de um virabrequim. É um mecanismo amplamente utilizado, por ser um processo prático e apresenta grande durabilidade (CORREA, 2003). Fluxograma 4: Microturbina baseada no ciclo Brayton aberto. Fonte: PIMENTA; CASTRO, 2003. Ainda segundo Correa (2003), em 1876, o engenheiro alemão chamado Nikolaus August Otto desenvolveu um motor com o conceito de 4 tempos que foi introduzido no mundo em 1878, e até hoje é conhecido como motor de ciclo Otto. No ano de 1892, Rudolph Diesel, outro engenheiro alemão, eliminou a necessidade de um circuito elétrico para o início da combustão, criando um motor similar ao de ciclo Otto em que o ar é comprimido a alta pressão tendo sua temperatura elevada suficientemente de modo a promover a ignição espontânea do combustível. Esse motor foi então denominado de ciclo Diesel. O ciclo Otto e o ciclo Diesel são muito parecidos. A diferença principal está no processo de adição de calor, visto que o Otto ocorre a volume constante (isocórico) e o Diesel ocorre à pressão constante (isobárico) (CASTRO, 2006). Estes ciclos são estudados a seguir. 55 5.2.1 Motores Ciclo Diesel Motores de ciclo Diesel são aqueles em que o combustível é injetado no final da compressão do ar. Como a pressão do combustível é maior que a do ar aquecido, ocorre a combustão por auto-ignição. Este processo não se limita apenas a combustíveis líquidos; atualmente já são produzidos motores conhecidos como de combustível misto ou conversível que utilizam gás como combustível no processo Diesel (PEREIRA, 2006). O Esquema 7 mostra os quatro ciclos do motor Diesel. No primeiro estágio (A) o ar é aspirado através da válvula de entrada para o interior do cilindro. O pistão então sobe comprimindo (com taxa muito elevada) o ar do cilindro durante o segundo estágio (B) e a temperatura é elevada. A injeção do combustível a alta pressão ocorre no terceiro estágio (C), onde ao entrar em contato com o ar comprimido a alta temperatura promove a combustão espontânea e força o pistão para baixo. No último estágio (D) os gases são liberados pela válvula de exaustão pelo movimento de subida do pistão. Esquema 7: Funcionamento do motor Diesel Fonte: CASTRO, 2006. No ciclo Diesel, com o aumento da taxa de compressão ocorre o aumento da eficiência térmica do ciclo, o que pode ser observado no Gráfico 7. Neste gráfico é possível observar que o mesmo acontece para o ciclo Otto, diferenciando-se do ciclo Diesel apenas pela razão de corte, expressa pela Equação 2, lembrando que, no ciclo Diesel, o processo 2-3 56 é a adição de calor ao fluido à pressão constante, no ciclo Diesel e a volume constante, no ciclo Otto. rc = V3 , onde: V2 (Eq. 2) rc: razão de corte V3: volume no ponto 3 V2: volume no ponto 2 A constante k é relação entre calores específicos em função somente da temperatura e pode ser vista na Equação 3 ( MORAN; SHAPIRO, 2002). Portanto, com a mesma taxa de compressão, o ciclo Diesel apresenta menor eficiência térmica se comparado ao ciclo Otto. k= c p (T ) c v (T ) , onde: k: constante cp(T): calor específico à pressão constante cv(T): calor específico à volume constante Gráfico 7: Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Diesel, k=1,4. Fonte: MORAN; SHAPIRO, 2002. (Eq. 3) 57 5.2.2 Motores Ciclo Otto Os motores de ciclo Otto aspiram a mistura ar-combustível antes de ser comprimida no interior dos cilindros e a combustão da mistura é dada por centelha produzida numa vela de ignição (PEREIRA, 2006). O Esquema 8 mostra os quatro tempos do motor Otto, assim designado, pois seu funcionamento ocorre seqüencialmente em quatro etapas. Castro (2006) lista, na seqüência, as 4 etapas do funcionamento do motor Otto. Primeiro tempo: abertura da válvula de admissão através da qual é injetada no cilindro a mistura ar-combustível e o pistão é empurrado para baixo com o movimento do virabrequim. Segundo tempo: fechamento da válvula de admissão e compressão da mistura (taxa da ordem de 10:1) e conforme o pistão sobe (antes de chegar à parte superior) a vela gera uma faísca. Esquema 8: Desenho esquemático das etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto Fonte: PECORA, 2006. Terceiro tempo: explosão da mistura e expansão dos gases quentes formados na explosão. Esta expansão promove uma força que faz com que o pistão desça. 58 Quarto tempo: Abertura da válvula de escape através do qual os gases são expulsos pelo pistão. A eficiência térmica do ciclo Otto é função apenas da taxa de compressão em relação diretamente proporcional, como pode se verificar no Gráfico 8. Seria interessante, portanto, que motores de combustão interna possuíssem razões de compressão elevadas, porém, é estabelecido um limite superior de compressão para motores ciclo Otto devido à possibilidade de auto-ignição, que ocorre caso a temperatura da mistura não queimada se torne muito alta antes que a mistura seja consumida pela frente de chama. A auto-ignição pode causar ondas de alta pressão que provocam perda de potência e danos no motor. 5.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO De acordo com estudos realizados por Coelho (2001), algumas tecnologias disponíveis comercialmente serão descritas na Tabela 6 a seguir. Gráfico 8: Eficiência térmica do ciclo de ar padrão frio Otto, k=1,4. Fonte: MORAN; SHAPIRO, 2002. 59 Tabela 6: Comparação das emissões entre as tecnologias de conversão. Emissões de NOx Tecnologia de Potência Instalada Rendimento Elétrico partes por milhão Conversão (ppm) Motores a Gás (Ciclo 30 kW – 20 MW 30% - 40% 250 – 3000 Otto) Turbinas a Gás 500 kW – 150 MW 20% - 30% 35 – 50 (Médio Porte) Microturbinas 30 kW – 100 kW 24% - 28% <9 (Pequeno Porte) Fonte: CENBIO, 2005. No Esquema 9 pode-se observar o corte de uma turbina a gás enquanto que a Fotografia 11 mostra a microturbina Capstone. As Fotografias 12 e 13 mostram o motor ciclo Otto de baixa e alta potência, respectivamente. Observa-se que os motores possuem maior eficiência de conversão elétrica, porém, as turbinas a gás podem apresentar um aumento no seu rendimento quando operadas no sistema de cogeração (calor e eletricidade). Nas turbinas e microturbinas, a taxa de emissão de NOx, gás de grande impacto quando relacionado ao efeito estufa, é muito menor quando comparada à taxa de emissão dos motores, sendo vantajosa a utilização deste tipo de tecnologia (CENBIO, 2006b). Esquema 9: Turbina a gás. Fonte: SOLAR TURBINES, 2006. 60 Fotografia 11: Microturbina Capstone. Fonte: CENBIO, 2006. Fotografia 12: Grupo gerador (motor ciclo Otto) de baixa potência. Fonte: CENBIO, 2006. 61 Fotografia 13: Grupo gerador (motor ciclo Otto) de alta potência. Fonte: CENBIO, 2006. A conversão de motores ciclo Diesel para ciclo Otto por meio de adaptações necessárias como, por exemplo, a substituição dos bicos injetores por velas de ignição pode ser uma alternativa tecnológica. Por meio dessa conversão é possível aproveitar a alta taxa de compressão dos motores Diesel para compensar o baixo poder calorífico do biogás (CENBIO, 2006b). 62 6 ESTUDO DE CASO – GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS A PARTIR DO BIOGÁS PROVENIENTE DE ATERRO SANITÁRIO. O estudo de caso descrito a seguir é baseado no projeto “Aproveitamento do Biogás Proveniente do Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos para Geração de Energia Elétrica e Iluminação a Gás”, desenvolvido pelo Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO) com o financiamento do Ministério de Minas e Energia (MME). O projeto está sendo implantado no Aterro Essencis, na Central de Tratamento de Resíduos (CTR), localizado em Caieiras, na Rodovia dos Bandeirantes, km 33, SP, controlado pelo Grupo Essencis. A CTR Caieiras é a maior Central de Tratamento de Resíduos da América Latina. Inaugurada em março de 2002, recebe resíduos domiciliares, industriais e de serviços de saúde, em uma área total de 3.500.000 m², sendo 43% dela coberta com vegetação nativa cultivada na própria unidade. No aterro em questão são tratados resíduos classe I (Fotografia 14) e II (Fotografia 15) e efluentes, além de serem realizados pré-tratamentos, reaproveitamento, operação e gerenciamento, serviços de laboratório, remediação, co-processamento e reciclagem. A expectativa de vida útil é de 50 anos para o aterro classe I e de 60 anos para o aterro classe II (CENBIO, 2006b). As fases de implementação do projeto como a escolha e caracterização do aterro, o levantamento dos dados técnicos e a determinação do potencial de biogás a ser produzidos são detalhadas a seguir. 6.1 SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO ATERRO PARA IMPLEMENTAÇAO DO PROJETO Para a seleção do aterro, o CENBIO realizou pesquisas baseando-se em 63 critérios como localização, quantidade e tipo de resíduos recebidos pelo mesmo, infraestrutura, apoio e interesse do aterro na implementação do projeto. As pesquisas foram feitas pela Internet, contatos telefônicos, por visitas em campo, contando com o apoio da Companhia de Saneamento Básico (CETESB) (CENBIO, 2006b). Fotografia 14: Vista do aterro classe I – CTR Caieiras. Fonte: ESSENCIS, 2007. Fotografia 15: Vista do aterro classe II – CTR Caieiras. Fonte: ESSENCIS, 2007. 64 Inicialmente, foi escolhido o aterro de Várzea Paulista (Fotografia 16), que possui uma área de 128.000 m² e se enquadrava perfeitamente às especificações citadas, porém, em setembro de 2006 o CENBIO tomou conhecimento, por meio da CETESB, de problemas resultantes do vazamento de metano proveniente do aterro que, além de causar incômodo aos moradores vizinhos, ainda havia provocado a morte de um deles. Dessa forma não seria possível conseguir o licenciamento ambiental para os sistemas de geração de energia elétrica e iluminação a gás, o que impediu a implementação do projeto no local (CENBIO, 2006b). Fotografia 16: Vista aérea do aterro de Várzea Paulista. Fonte: CIAS, 2004. Foram realizadas então outras visitas como ao aterro de Sorocaba (Fotografia 17), que possui uma área de aproximadamente 400.000 m² e recebe, aproximadamente, 350 toneladas por dia de resíduos domésticos, industriais e hospitalares provenientes apenas da cidade de Sorocaba. Um dos problemas encontrados neste aterro foi a falta de drenos para captação de biogás e a demora no aterramento do lixo, que pôde ser observada pela quantidade significativa de urubus sobre a parcela do lixo descoberto. 65 Fotografia 17: Vista do aterro de Sorocaba. Fonte: CENBIO, 2006. Em outubro de 2006, foi realizada uma visita ao Centro de Gerenciamento de Resíduos de Paulínia (CGR), administrado pela Empresa de Saneamento e Tratamento de Resíduos Ltda (ESTRE) e localizado na cidade de Paulínia, SP. O CGR (Fotografia 18), habilitado para receber resíduos de classe I, IIA e IIB, possui uma área de 705.000 m² e trata resíduos da própria cidade, além de cidades da região como Americana, Sumaré, Jaguariúna, Hortolândia e Santo Antônio da Posse (CENBIO, 2006b). Fotografia 18: Vista aérea do CGR – Paulínia. Fonte: CENBIO, 2006. 66 O CGR é composto por usina de triagem de materiais recicláveis, aterro sanitário, unidade de biorremediação (redução de hidrocarbonetos do solo por meio de microorganismos) e está habilitado para receber resíduos de classes IIA e IIB, além de tratar resíduos classe I. O aterro utiliza geomembrana de polietileno de alta densidade (PEAD) para impermeabilização do solo (Fotografia 19). O biogás é captado através de drenos (Figura 20) e, então, transportado até uma central onde é analisado (Fotografia 21) e posteriormente queimado em flare (CENBIO, 2006b). Fotografia 19: Impermeabilização do solo. Fonte: CENBIO, 2006b. Fotografia 20: Dreno de captação do biogás. Fonte: CENBIO, 2006b. 67 Fotografia 21: Analisador instantâneo das características físico-químicas do biogás. Fonte: CENBIO, 2006b. O chorume captado é enviado a um tanque de retenção (Fotografia 22) onde é armazenado e, posteriormente, transportado para uma estação de tratamento. Fotografia 22: Tanque de retenção de chorume. Fonte: CENBIO, 2006b. Em novembro de 2006, o CENBIO se reuniu com a equipe técnica do aterro da Essencis – CTR Caieiras. Além das características já citadas, o aterro executou 68 impermeabilização inferior constituída por uma camada de argila aplicada na base do aterro e geomembrana texturizada de PEAD instalada na base e nos taludes do aterro, evitando a contaminação do solo e do lençol freático. O aterro conta também com um dreno testemunho, instalado na base do aterro, para drenagem e posterior monitoramento das águas subterrâneas (Esquema 10). Esquema 10: Esquema construtivo. (a) aterro classe I (b) aterro classe II. Fonte: ESSENCIS, 2007. O aterro conta com um sistema de coleta e remoção de chorume, instalado acima do sistema de impermeabilização, que o conduz para uma bacia localizada à jusante do aterro. Em seguida, o chorume é captado e levado para ser tratado em uma Estação de Tratamento de Efluentes como se pode observar na Fotografia 23. O grupo Essencis já realiza a captação do biogás das células do aterro por exaustão forçada promovida pelos sopradores instalados no sistema e o transporta através de uma rede de tubos conectados (Fotografia 24), promovendo posteriormente a sua queima em flare (Fotografia 25), reduzindo, desta forma, a emissão de compostos mais poluentes como o metano, que segundo a EPA (2007), é cerca de 20 vezes mais prejudicial que o CO2. 69 Fotografia 23: Tratamento do chorume. Fonte: CENBIO, 2006b. Fotografia 24: Transporte do biogás. Fonte: CENBIO, 2006b. 70 Fotografia 25: Flare. Fonte: CENBIO, 2006b. Concluiu-se, portanto, que após as visitas realizadas, os aterros gerenciados pela Estre e Essencis se mostraram apropriados para a implantação do projeto, pois possuem infra-estrutura, além de drenos de saída de biogás que possibilitam sua captação, purificação e compressão, além de sua utilização como combustível no sistema de geração de energia elétrica e iluminação a gás. Os dois aterros demonstraram interesse na implementação do projeto e operação do sistema, entretanto selecionou-se o aterro sanitário de Caieiras por ser geograficamente mais próximo ao CENBIO e apresentar maior interesse da equipe técnica na participação ativa da instalação e monitoramento dos sistemas (CENBIO, 2006b). 71 6.2 LEVANTAMENTO DOS DADOS TÉCNICOS A CTR Caieiras iniciou suas atividades em 2002. O fluxo diário de resíduos era da ordem de 3.000 toneladas, sendo aproximadamente 60% de origem domiciliar. Desde o início do ano de 2007 o aterro já recebia cerca de 6.000 t/dia de lixo e a partir do mês de setembro, devido ao fechamento do aterro São João, localizado no município de São Paulo, o aterro Essencis passou a receber 75% do lixo da cidade de São Paulo, totalizando 9.000 a 10.000 toneladas de lixo diárias. A Tabela 7 apresenta a previsão da quantidade de lixo a ser recebido pelo aterro até o ano de 2024. Tabela 7: Previsão da quantidade de resíduos e ser depositados no CTR Caieiras Quantidade de resíduo Quantidade de resíduo Ano estimada (t/ano) recebida (t/ano) 2002 70.980 2003 415.797 2004 454.349 2005 701.725 2006 735.517 2007 2.069.857 2008 2.400.000 2009 2.400.000 2010 2.400.000 2011 2.400.000 2012 2.400.000 2013 2.400.000 2014 2.400.000 2015 2.400.000 2016 2.400.000 2017 2.400.000 2018 2.400.000 2019 2.400.000 2020 2.400.000 2021 2.400.000 2022 2.400.000 2023 2.400.000 2024 2.400.000 Fonte: CENBIO, 2006c. O sistema de captação e queima do biogás (Esquema 11) que o aterro possui, 72 inclui poços igualmente distribuídos para extração de biogás (Esquema 12) por exaustão forçada (pressão negativa) com sopradores, rede de tubos conectados transportando o biogás até a unidade de tratamento, equipamento para o tratamento do biogás antes de ser enviado para queima e cobertura integral de material impermeável, como PVC, sobre a massa de resíduos (CENBIO, 2006c). Esquema 11: Estrutura técnica do sistema de captação e queima do biogás Fonte: PDD (versão português), 2005. Esquema 12: Dreno para captação de biogás. Fonte: PDD (versão português), 2005. A tecnologia de geração de energia elétrica utilizada no projeto é o motor ciclo Otto, visto que, para a conversão energética do biogás, os motores de combustão interna 73 possuem maior eficiência e menor custo (CENBIO, 2005). As turbinas a gás possuem maior eficiência global de conversão quando operadas no sistema de cogeração, porém, por ser um equipamento importado possui alto custo de operação e manutenção, além de elevado valor. Elas também exigem um maior controle das propriedades do biogás quando comparadas aos motores convencionais (CENBIO, 2005). As microturbinas exigem um processo rigoroso de purificação e limpeza do gás, o que não é necessário no grupo-gerador, que suporta o uso do biogás in natura e dispensa a compressão, visto que seu princípio de funcionamento é por aspiração (CENBIO, 2005). 6.3 DETERMINAÇÃO DO POTENCIAL DE BIOGÁS A SER PRODUZIDO Para o cálculo do potencial de geração de biogás no aterro foi utilizada a metodologia sugerida pelo Intergovernamental Panel on Climate Change - IPCC (1996) a partir de dados fornecidos pelo aterro Essencis – CTR Caieiras (CAIEIRAS, 2004). Portanto, têm-se as seguintes equações: L0 = MCF × DOC × DOCF × F × 16 , onde: 12 L0 : potencial de geração de metano do resíduo (m³ biogás/kgRSD) MCF : fator de correção do metano (%) DOC : fração de carbono degradável (kgC/kgRSD) DOCF : fração de DOC dissolvida (kgC/kgRSD) F : fração de metano no biogás (Eq. 4) 74 16 /12 : conversão de carbono (C) para metano (CH4) RSD : resíduo sólido domiciliar MCF = 1 (aterro bem gerenciado) DOC = 0,40 A + 0,17 B + 0,15C + 0,30 D (Eq. 5) Em função das grandes quantidades de alimentos e resíduos orgânicos que são depositados juntos, a Equação 5 foi modificada para: DOC = 0,40 A + 0,16( B + C ) + 0,30 D , onde: (Eq. 6) A : percentual de papelão e tecidos = 22% B+C : alimentos e outros resíduos orgânicos = 55% D : resíduos de madeira = 2% Resultando em DOC = 0,174 DOCF = 0,014T + 0,28 = 0,77, onde : (Eq. 7) T : temperatura (ºC) na zona anaeróbia dos resíduos, estimada em 35º C F = 40% [medições no local indicaram a presença de 40% de metano (CH4) no biogás, com pouca diluição de ar]. Portanto, substituindo os valores anteriormente calculados (Equação 6 e 7) na Equação 4, tem-se L0 = 0,071 kg CH4/kgRSD. Considerando a densidade do CH4 (0º C e 1,013 75 bar) como 0,0007168 t/m³, tem-se L0 = 99,69 m³CH4/t RSD (CENBIO, 2006d). A vazão de metano, em m³CH4/ano, pode ser calculada da seguinte forma: LFG = k × Rx × L0 × e − k ( x −T ) , onde: k= ln 2 t1 (Eq.8) (Eq. 9) 2 Rx : fluxo de resíduo no ano (t/ano) X : ano atual T : ano de deposição do resíduo no aterro t1/2 : tempo médio para 50% da decomposição = 9 anos k : constante de decaimento (1/ano) = 0,077 A Tabela 8 mostra a vazão de metano no aterro Essencis – CTR Caieiras, desde o ano de 2002 até a previsão para 2040. A concentração de metano presente no biogás durante o ano de 2007 está na média de 40%. A quantidade de metano gerado no ano de 2007 é estimada em 23.392.100,50 m³ CH4/ano ou 2.670,33 m³ CH4/h, conforme apresentado na Tabela 8. O comportamento crescente da curva apresentada no Gráfico 9 corresponde ao período em que o aterro recebe lixo, pois a cada tonelada de lixo, soma-se um novo potencial. O último ano de deposição de resíduos no aterro é dado pelo ponto máximo da curva. No decaimento, a curva é dirigida pela constante k, referente à degradação da matéria orgânica no tempo. 76 Tabela 8: Vazão de metano (CH4) Ano m3CH4/ano m3CH4/h 2002 217.935,22 24,88 2003 1.478.436,72 168,77 2004 2.763.891,37 315,51 2005 4.713.617,87 538,08 2006 6.622.603,97 756,01 2007 12.487.039,01 1.425,46 2008 28.395.784,08 3.241,53 2009 40.456.778,23 4.618,35 2010 53.235.520,12 6.077,11 2011 62.185.802,93 7.098,84 2012 70.472.778,97 8.044,84 2013 78.145.606,01 8.920,73 2014 85.249.798,71 9.731,71 2015 91.827.498,64 10.482,59 2016 97.917.724,28 11.177,82 2017 103.556.602,39 11.821,53 2018 108.777.582,43 12.417,53 2019 113.611.634,87 12.969,36 2020 118.087.434,98 13.480,30 2021 122.231.532,89 13.953,37 2022 126.068.511,09 14.391,38 2023 129.621.130,28 14.796,93 2024 132.910.464,34 15.172,43 2025 123.060.450,37 14.048,00 2026 113.940.422,38 13.006,90 2027 105.496.280,99 12.042,95 2028 97.677.936,17 11.150,45 2029 90.439.010,02 10.324,09 2030 83.736.561,74 9.558,97 2031 77.530.832,90 8.850,55 2032 71.785.011,52 8.194,64 2033 66.465.013,81 7.587,33 2034 61.539.281,90 7.025,03 2035 56.978.596,71 6.504,41 2036 52.755.904,57 6.022,36 2037 48.846.156,76 5.576,05 2038 45.226.160,93 5.162,80 2039 41.874.443,52 4.780,19 2040 38.771.122,38 4.425,93 Fonte: CENBIO, 2006d. Metano (m³/h) 77 Metano captado pelo projeto (m³/h) 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2002 2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 2034 2038 Ano Gráfico 9: Comportamento da vazão de metano. Fonte: Acervo próprio. Para a determinação da potência e energia disponível foram utilizadas as seguintes equações: Px = Qx × Pcme tan o k , onde: × Ec × 31536000 1000 (Eq. 10) Px : potência disponível a cada ano (kW) Qx : vazão de metano a cada ano (m³CH4/ano) Pc : poder calorífico de metano = 35,53.106 J/m³CH4 Ec : eficiência de coleta de gases (%) = 75% K = 1000 (adimensional) Edisp = Px , onde: 365 × 24 (Eq. 11) 78 Edisp : energia disponível (kW) Px : potência disponível (kW) 365 : dias/ano 24 : h/dia Na Tabela 9 são apresentados os resultados dos cálculos da potência e energia disponível no aterro, em função da vazão de metano. Os valores disponíveis para o ano de 2007 são: potência de 3,94 MW e energia de 82,37 MWh/dia. O comportamento da curva de disponibilidade de potência e energia pode ser observado no Gráfico 10 a e b, Potência (MW) 50 45 40 En erg ia (M W h /d ia) Po tên cia (M W) respectivamente. Energia (MWh/dia) 1000 900 800 35 700 30 600 25 500 20 400 15 300 10 200 5 100 0 0 2002 2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 2034 2038 Ano 2002 2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 2034 2038 Ano Gráfico 10: (a) Curva de comportamento da potência. (b) Curva de comportamento da energia. Fonte: Acervo próprio. O ponto máximo da curva corresponde ao último ano de deposição de resíduos no aterro e, no decaimento, a curva é dirigida pela constante k, referente à degradação da matéria orgânica no tempo. 79 Ano 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 Tabela 9: Potência e energia disponível em função da vazão de metano. Potência disponível Energia disponível m3CH4/ano m3CH4/h (MW) (MWh/dia) 217.935,22 24,88 0,07 1,44 1.478.436,72 168,77 0,47 9,75 2.763.891,37 315,51 0,87 18,23 4.713.617,87 538,08 1,49 31,09 6.622.603,97 756,01 2,09 43,69 12.487.039,01 1.425,46 3,94 82,37 28.395.784,08 3.241,53 8,97 187,31 40.456.778,23 4.618,35 12,78 266,87 53.235.520,12 6.077,11 16,82 351,16 62.185.802,93 7.098,84 19,65 410,20 70.472.778,97 8.044,84 22,26 464,86 78.145.606,01 8.920,73 24,69 515,48 85.249.798,71 9.731,71 26,93 562,34 91.827.498,64 10.482,59 29,01 605,73 97.917.724,28 11.177,82 30,93 645,90 103.556.602,39 11.821,53 32,72 683,10 108.777.582,43 12.417,53 34,36 717,54 113.611.634,87 12.969,36 35,89 749,42 118.087.434,98 13.480,30 37,31 778,95 122.231.532,89 13.953,37 38,62 806,28 126.068.511,09 14.391,38 39,83 831,59 129.621.130,28 14.796,93 40,95 855,03 132.910.464,34 15.172,43 41,99 876,73 123.060.450,37 14.048,00 38,88 811,75 113.940.422,38 13.006,90 36,00 751,59 105.496.280,99 12.042,95 33,33 695,89 97.677.936,17 11.150,45 30,86 644,32 90.439.010,02 10.324,09 28,57 596,57 83.736.561,74 9.558,97 26,45 552,36 77.530.832,90 8.850,55 24,49 511,42 71.785.011,52 8.194,64 22,68 473,52 66.465.013,81 7.587,33 21,00 438,43 61.539.281,90 7.025,03 19,44 405,94 56.978.596,71 6.504,41 18,00 375,85 52.755.904,57 6.022,36 16,67 348,00 48.846.156,76 5.576,05 15,43 322,21 45.226.160,93 5.162,80 14,29 298,33 41.874.443,52 4.780,19 13,23 276,22 38.771.122,38 4.425,93 12,25 255,75 Fonte: CENBIO, 2006d. 80 6.4 SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ILUMINAÇÃO A GÁS O conjunto motogerador de energia elétrica a ser instalado na planta de biogás do aterro Essencis – CTR Caieiras é o LANDSET, desenvolvido pela empresa Brasmetano. Segundo a fabricante (BRASMETANO, 2007), os conjuntos motogeradores LANDSET (Fotografia 26) são capazes de gerar energia a partir do biogás de aterros sanitários. São compostos por motores ciclo Otto adaptados para funcionar a biogás, com potência nominal de 230 kW, de fabricação brasileira, e fornecidos prontos para instalação em container de 6 metros. Os sistemas de ignição e alimentação são gerenciados eletronicamente e existe uma unidade independente de resfriamento e controle de temperatura. A aspiração do biogás dispensa central para sua sucção e bombeamento, já que é feita pelo conjunto motorcompressor. Possui vida útil de 40 a 80 mil horas. O calor rejeitado pelos motores poderá ser utilizado pelo aterro para evaporação do chorume. Fotografia 26: Motogerador LANDSET. Fonte: Acervo próprio. 81 A tecnologia de iluminação a gás que será utilizada é da empresa CBTAG – Tecnologia e Automação do Gás, que desenvolveu um sistema para a automação do gás que permite iluminar e aquecer áreas urbanas e rurais, oferecendo uma alternativa energética limpa que combina a utilização do gás como matéria-prima principal e possui automatização para acender e apagar os postes de iluminação (Esquema 13). A função básica da automação para iluminação a gás é a de acender automaticamente todas as lâmpadas dos postes ao anoitecer ou quando a iluminação do sol for muito baixa e o de apagá-los ao amanhecer. A automação terá itens de segurança no que se refere a incêndio e vazamentos de gás. O sistema de iluminação a gás que será instalado no aterro Essencis – CTR Caieiras contará com 7 postes de iluminação a biogás, cada um com dois pontos luminosos (Fotografia 27) que, segundo o fabricante, consomem, cada, 0,4 m³ de biogás por hora. Portanto, o consumo total de biogás será de 5,6 m³ /h. Esquema 13: Poste de iluminação a gás Fonte: CBTAG, 2007. 82 Fotografia 27: Poste de iluminação a gás. Fonte: CENBIO, 2006. Segundo dados do fabricante, a eficiência elétrica do motor LANDSET é de 28%. Desta forma, através dos dados coletados no aterro Essencis – CTR Caieiras, é possível estimar a vazão de biogás necessária para a alimentação do mesmo: • Q BIOGÁS × % METANO × PCI 860 ×η = Pot GERADA , onde: % metano: 40% Poder Calorífico Inferior: 8500 kcal/m³ PotGERADA: 200 kW 860: conversão kcal - kW • Resultando em Q BIOGÁS = 180,7 m3 / h (Eq. 9) 83 Portanto o consumo de biogás pelo grupo gerador LANDSET é estimado em 180,7 m³/h. Como o consumo pelos postes de iluminação a gás é de 5,6m³/h, a soma do biogás a ser consumido é de 186,3 m³/h, ou, considerando concentração de metano de 40%, 74,5 m³ /h de metano. Como temos uma vazão de metano de 1.425,4 m³/h, haverá um excedente de 1350,9 m³/h que continuará sendo queimado em flare. No Esquema 14 é possível visualizar o sistema integrado da captação do biogás no aterro em questão. Esquema 14: Sistema integrado de captação e conversão do biogás em energia. Fonte: Brasmetano, 2007. O conjunto motogerador utilizado terá interligação com a rede de energia elétrica do aterro e, através dessa interligação toda energia produzida no processo será utilizada pelo aterro Essencis. Considerando a potência de 200 kWh sendo gerada durante um mês inteiro ininterruptamente, visto que o biogás é gerado 24 h/dia, chegar-se-ia ao total de 144 MW/mês. No mês de setembro de 2007 o consumo de energia elétrica no aterro Essencis foi de 50 GW, representando um gasto de cerca de R$ 26.000,00. Portanto a energia gerada poderá ser utilizada pelo próprio aterro e a energia excedente, vendida. 84 7 CONCLUSÃO Atualmente, a sociedade e a administração pública, se deparam com um grande desafio quanto à gestão dos resíduos sólidos. Sua produção vem aumentando devido à intensificação das atividades humanas nas últimas décadas, dificultando o manejo e disposição correta dos mesmos. Quando dispostos de forma inadequada, como em lixões, por exemplo, geram metano, cuja emissão para atmosfera contribui com o aumento do aquecimento global, por se tratar de um gás de efeito estufa. Este trabalho mostrou que, por meio de gestão eficiente dos resíduos sólidos urbanos é possível aproveitar o potencial energético do biogás e conseqüentemente diminuir o consumo de combustíveis fósseis, reduzindo assim o impacto ambiental e contribuindo para melhoria social e econômica. Concluiu-se, então, que os aterros sanitários representam uma das alternativas mais interessantes para a disposição final do lixo, considerando, posteriormente, a geração de biogás, pois dispõem de técnicas de captação dos gases liberados através de dutos e queima em flares, onde o metano, principal constituinte do biogás, é transformado em gás carbônico, com potencial de aquecimento global cerca de 20 vezes menor. O aterro Essencis – CTR Caieiras, objeto do estudo de caso, conta também com dutos para captação do chorume que, se não for devidamente coletado, acarretará poluição dos recursos hídricos. O presente estudo mostrou que o aterro Essencis possui um potencial de geração de energia elétrica de aproximadamente 3,94 MW em 2007, podendo chegar a 42 MW no ano de seu encerramento, 2024. A metodologia utilizada para a previsão da geração de metano nos próximos anos mostrou-se adequada, pois considera importantes fatores em seus cálculos, como o potencial de produção de metano de acordo com a composição do lixo, fluxo de resíduo anual, 85 tempo de deposição de resíduo no aterro e constante de decaimento, aproximando-se, dessa forma, das condições reais de trabalho. A implantação de um sistema de geração de energia em um aterro tem alto custo, porém, é a solução eficaz para problemas provocados pela emissão de metano, reduzindo dessa forma a emissão de gases de efeito estufa. A energia gerada pelo sistema poderá ser consumida pelo próprio aterro e a excedente vendida para empresas privadas. Portanto, o retorno dos investimentos se dá em um curto intervalo de tempo, justificando a viabilidade econômica deste projeto. O estudo das técnicas para conversão energética mostrou que os motores ciclo Otto, além de apresentar baixo custo quando comparados às turbinas e microturbinas a gás, possuem alta eficiência quando operados com biogás. Visto que no mercado brasileiro estão disponíveis motores Otto a biogás, assim como técnicos especializados, torna-se viável a instalação dos mesmos no aterro em questão. Devido à alta capacidade de geração de energia elétrica e iluminação a gás a partir do biogás de aterros sanitários e o elevado consumo energético no setor elétrico brasileiro, a proposta deste trabalho poderá ser considerada viável, visto que a geração a partir de biogás pode diminuir sobrecarga das concessionárias, além da diminuição da emissão de gases de efeito estufa. Portanto, é evidente a impossibilidade de esgotar o assunto proposto neste trabalho, não só pela complexidade tecnológica, mas pelo estágio de desenvolvimento de políticas do setor elétrico. A legislação brasileira não requer que o gás de aterro seja queimado, sendo o monitoramento da saída do gás o único requerimento, de modo a evitar fogo e explosões. Nem a queima de gás de aterro, nem sua extração ativa e subseqüente geração de eletricidade é requerida. O fato de não existir legislação técnica específica para captação, queima e geração de energia elétrica a partir de biogás, aliada à falta de investimento e falta de 86 experiência de muitos envolvidos (clientes, projetistas, operadores), poucos aterros no país encontram-se em situação adequada. É, portanto, de grande importância, que sejam realizados estudos e monitoramento do sistema em funcionamento, visto que o mesmo encontra-se ainda em fase de implementação, para que possa servir de modelo para o desenvolvimento de projetos futuros. 87 REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Resíduos sólidos: classificação - NBR 10004. São Paulo, 2004. ALVES, J. W. S. 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