EEN18704 BIO
Apresentação
Nome
BIOGÁS
Objetivos
Debater sobre formas renováveis de produção de energia elétrica nas grandes áreas rurais com foco na sustentabilidade.
Capitulo 1
Biogás
Como já indica o nome, o "bio"gás tem origem em um processo biológico. A matéria orgânica, quando decomposta em meio anaeróbio (ausência de oxigênio), origina uma mistura gasosa chamada de biogás. Esse processo é muito comum na natureza e ocorre, por exemplo, em pântanos, fundos de lagos, esterqueiras e no rúmen de animais ruminantes. Por meio de diversos microrganismos, a matéria orgânica é convertida em biogás quase por completo. Além disso, são produzidas certas quantidades de energia (calor) e nova biomassa. A mistura gasosa formada é composta principalmente de metano (50% - 75% em volume) e dióxido de carbono (25% - 50% em volume). O biogás contém ainda pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio, sulfeto de hidrogênio, amônia e outros gases traço. De todos os componentes, o de maior importância é o metano, pois ele representa a parte combustível do biogás e, portanto, seu teor influencia diretamente o poder calorífico inferior. O controle de processo seletivo dá pouca margem para a alteração da composição do biogás, que depende principalmente da composição do material introduzido. Além disso, o teor de metano é influenciado por parâmetros do processo tais como a temperatura de fermentação, nível de carga do reator e tempo de retenção hidráulica, bem como pela biodissulfurização e por distúrbios no processo. O processo de formação do biogás se divide em várias etapas. Os estágios de decomposição têm de estar perfeitamente coordenados entre si para que todo o processo se realize adequadamente.
1.Hidrolise:
Compostos orgânicos complexos, tais como carboidratos, proteínas e lipídios, são decompostos em substâncias menos complexas como aminoácidos, açúcares e ácidos graxos. No processo atuam bactérias hidrolíticas, cujas enzimas liberadas decompõem o material por meio de reações bioquímicas. Por meio de bactérias fermentativas acidogênicas, os compostos intermediários formados são então decompostos em ácidos graxos de cadeia curta (ácidos acético, propiônico e butírico), dióxido de carbono e hidrogênio.
2.Acidogênese:
Adicionalmente, formam-se também pequenas quantidades de ácido lático e álcoois. Os tipos de compostos formados nesse estágio dependem da concentração do hidrogênio intermediário.
3.Acetogênese:
No processo de formação de ácido acético, esses compostos são convertidos por bactérias acetogênicas em precursores do biogás (ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono). Nesse ponto, a pressão parcial do hidrogênio é decisiva. Por razões de cunho energético, uma concentração de hidrogênio muito elevada impede a conversão dos compostos intermediários da acidogênese. A consequência é o acúmulo de ácidos orgânicos que inibem a metanogênese,tais como o ácido propiônico, ácido isobutírico, ácido isovalérico e ácido capróico. Por essa razão, as bacté- rias acetogênicas (produtoras de hidrogênio) têm de estar estreitamente associadas a arqueas metanogênicas. Durante a formação do metano, as arqueas consomem hidrogênio e dióxido de carbono (transferência interespecífica de hidrogênio), garantindo o meio propício para as bactérias acetogênicas.
4.Metanogênese:
As arqueas metanogênicas estritamente anaeróbias convertem principalmente o ácido acético, o hidrogênio e o dióxido de carbono em metano. Os metanógenos hidrogenotróficos produzem metano a partir de hidrogênio e dióxido de carbono, e os metanógenos acetoclásticos a partir da redução de ácido acético.
Técnica de processamento
Qualquer que seja a modalidade operacional, uma usina de biogás agrícola geralmente pode ser dividida em quatro etapas de processamento:
1. Gerenciamento do substrato (entrega, armazenamento, tratamento, transporte e carregamento)
2. Geração de biogás
3. Armazenamento, preparação e deposição de biofertilizantes
4. Armazenamento, purificação e utilização do biogás
Substratos
Adubos Orgânicos
Devido especialmente ao crescimento das empresas pecuárias e à crescente exigência ambiental de que se aproveitem os dejetos animais, formas alternativas de utilização e tratamento do esterco líquido e do esterco sólido produzidos têm de ser desenvolvidas. O aproveitamento energético dos adubos orgânicos é necessário também do ponto de vista da proteção climática, uma vez que permite reduções significativas de emissões. O esterco líquido de origem bovina e suína se presta muito bem para o uso em usinas de biogás em função da sua bombeabilidade e fácil armazenamento em tanques. Por causa do seu baixo teor de matéria seca, podem ser facilmente combinados com outros substratos (cossubstratos). O carregamento de esterco sólido, por outro lado, exige elevada complexidade técnica. A consistência rígida desse esterco impede que ele seja processado com qualquer equipamento de carregamento de sólidos oferecido no mercado.
Biomassas dedicadas
O esterco líquido de origem bovina e suína se presta muito bem para o uso em usinas de biogás em função da sua bombeabilidade e fácil armazenamento em tanques. Por causa do seu baixo teor de matéria seca, podem ser facilmente combinados com outros substratos (cossubstratos). O carregamento de esterco sólido, por outro lado, exige elevada complexidade técnica. A consistência rígida desse esterco impede que ele seja processado com qualquer equipamento de carregamento de sólidos oferecido no mercado.
Milho
O milho é o substrato mais utilizado em usinas de biogás agrícolas. Seu sucesso na produção de biogás se deve à sua elevada produtividade por hectare e boa aptidão para a fermentação. A produção é condicionada pelo local de cultivo e pelas condições ambientais, podendo variar entre 35 t/ha de matéria fresca (MF) em regiões arenosas e mais de 65 t MF/ha em regiões de elevada produtividade. Em média, a produtividade é de cerca de 45 t MF/ha. A cultura do milho não exige cuidado intensivo e se adapta na maioria dos lugares. Na colheita, o pé inteiro de milho é picado e armazenado em silos trincheira. O teor de matéria seca não pode ser inferior a 28% nem exceder 36%. No uso de milho com teor de matéria seca acima de 28% pode ocorrer percolação, o que significa perdas significativas de energia. Silagens com teor de matéria seca superior a 36% têm um elevado teor de lignina e, portanto, menor degradabilidade. Além disso, matéria seca em demasia impede que a silagem seja compactada adequadamente, reduzindo a qualidade da ensilagem e influenciando negativamente sobre a sua estabilidade no armazenamento. Após o depósito no silo, os componentes da planta picados são compactados (p.ex. por meio de carregadeira, trator agrícola) e fechados com uma lona.
BIOGÁS GERADO EM ATERROS SANITÁRIOS
A qualidade do gás de aterro ou biogás depende do sistema microbiológico, do substrato (resíduo) sendo decomposto e das variáveis específicas do aterro como acesso a oxigênio para o aterro. O gás gerado é tipicamente descrito como consistindo de aproximadamente 50% de metano e 50% de dióxido de carbono com menos de 1% de outros componentes gasosos, inclusive sulfetos de hidrogênio (H2S) e mercaptanos. Há quatro fases de produção do gás e elas ocorrem durante a existência do aterro. A duração de cada uma dessas fases é dependente de numerosos fatores, incluindo o tipo de resíduo, teor de umidade, nutrientes, tipos de bactérias e nível de pH. O gás gerado pode ser produzido num aterro durante numerosas décadas mantendo-se em níveis declinantes com emissões de até 100 anos após a data de disposição.
Digestão
A consistência dos substratos depende do seu teor de matéria seca, o que justifica a classificação básica da tecnologia de biogás em técnicas de digestão seca e técnicas de digestão úmida. A digestão úmida se realiza com substratos bombeáveis. A fermentação a seco faz uso de substratos empilháveis. A maioria das usinas de biogás agrícolas adota a digestão úmida, realizada nos típicos reservatórios circulares. No entanto, o mercado tem presenciado a maturidade comercial das usinas de digestão seca, que vêm sendo utilizadas principalmente na fermentação de biomassas dedicadas.
Biodigestores
Geralmente, a construção de uma usina de biogás prioriza os aspectos econômicos. Na definição das dimensões do biodigestor, por exemplo, nem sempre se almeja obter o rendimento máximo de gás ou a decomposição completa da matéria orgânica presente no substrato. Se a decomposição total da matéria orgâ nica fosse o principal objetivo, isso exigiria tempos muito longos de retenção do substrato no biodigestor, o que é possível apenas com tanques de alta capacidade, uma vez que algumas substâncias se decompõem apenas depois de muito tempo, ou nem se decompõem. Portanto, deve-se procurar obter uma capacidade adequada de decomposição com um custo aceitável. Essencialmente, os biodigestores se compõem do reator de gás propriamente dito (construído com isolamento térmico), de um sistema de aquecimento, equipamentos de agitação e sistemas de retirada de sedimentos e do substrato digerido.
Estrutura dos reservatórios
Os biodigestores são confeccionados em aço, aço inoxidável ou concreto armado. Um ambiente saturado de água confere ao concreto armado suficiente impermeabilidade a gases. Essa umidade é garantida pela água contida no substrato e no biogás. Os biodigestores são moldados em concreto no local ou montados com peças pré-moldadas. Desde que a estrutura do solo o permita, é possível enterrar o reservatório de concreto parcial ou totalmente. O teto do reservatório pode ser de concreto. Para que o processo de digestão ocorra em condições ótimas, a temperatura no interior do digestor deve ser constante. Não é tão importante que a temperatura seja mantida com a precisão de décimos de graus, mas sim que suas oscilações sejam as menores possíveis. Essa constância se refere tanto a oscilações ao longo do tempo quanto à distribuição da temperatura em diferentes áreas do digestor. Se a temperatura sofrer oscilações drásticas ou se situar acima ou abaixo de determinados valores, pode ocorrer a inibição do processo de fermentação ou até mesmo a suspensão do processo.
Agitadores
Um nível de produção elevado de biogás só é possível através do contato intenso entre as bactérias e o substrato, o que geralmente é obtido pela agitação no biodigestor. Em biodigestores sem agitadores, após um período observa-se a separação do conteúdo e a formação de camadas em virtude da diferença de densidade entre as várias substâncias que compõem o substrato, e também pelo empuxo provocado pela formação de gás. Por causa da sua densidade mais elevada, a maior parte da massa de bactérias se encontra embaixo, sendo que o substrato em decomposição frequentemente se acumula na camada superior. Em casos como esse, a área de contato entre essas duas camadas está restrita ao ponto em que elas se tocam e a decomposição é muito baixa. Além disso, forma-se um sobrenadante de sólidos flutuantes que dificulta a saída do gás. Por isso, é importante promover o contato entre os microrganismos e o substrato por meio da agitação no biodigestor.
Armazenamento
A geração de biogás apresenta oscilações e picos na quantidade produzida. Por essa razão e porque a quantidade utilizada é praticamente constante, o gás tem de ser armazenado em locais adequados. Os gasômetros têm de ser impermeáveis a gases, resistentes à pressão, raios UV, temperatura, intempéries e à ação das substâncias em contato. Antes de entrar em funcionamento, inspecionar o gasômetro quanto à sua estanqueidade. Por razões de segurança, os gasômetros devem estar equipados com mecanismos de segurança contra sobrepressão e subpressão, visando evitar que a pressão interna se altere para níveis não admissíveis.
Remoção do Dióxido de Carbono ´ A etapa de remoção do dióxido de carbono é necessária sobretudo quando o objetivo é injetar o gás na rede de gás natural. Com o aumento do teor de metano, é possível ajustar as propriedades comburentes aos padrões previstos na folha de processo da DVGW. Desde 2006, na Alemanha entraram em operação 38 usinas que produzem biogás tratado para a injeção na rede de gás natural. Tanto na Alemanha como nos demais países europeus, os processos de tratamento mais utilizados são a lavagem com água sob pressão e os equipamentos de adsorção com modulação de pressão, seguidos pela lavagem química. Os fatores determinantes na escolha do processo são a composição do gás, a qualidade do produto que se pode obter, as perdas de metano e os custos de tratamento, variáveis conforme a situação local.
Usinas de cogeração
A cogeração (CHP) é a geração simultânea de eletricidade e calor. Conforme as suas características, as usinas de cogeração se dividem em dois tipos: aquelas que produzem principalmente calor e aquelas com ênfase na produção de eletricidade. A variante para a produção prioritária de calor é preferível em função da sua maior eficiência. Na maioria dos casos, são utilizadas usinas de cogeração com motores de combustão acoplados a um gerador. Os motores operam a uma rotação constante de forma que o gerador acoplado possa fornecer energia elétrica compatível com a frequência da rede. Para acionar o gerador ou gerar Tratamento do Biogás e Opções de Utilização 125 eletricidade, pode-se utilizar também microturbinas a gás, motores Stirling ou células de combustível como alternativas aos motores do ciclo Diesel (ignição por compressão) ou ciclo Otto (ignição por centelha).
Geradores
Os geradores utilizados em usinas de cogeração são do tipo assíncronos ou síncronos. Por causa do elevado consumo de corrente reativa dos geradores assíncronos, recomenda-se que sejam utilizados em equipamentos com menos de 100 kWel .Por essa razão, normalmente as usinas de biogás são equipadas com geradores síncronos. A conversão energética de biogás em energia elétrica pode ser realizada de diversas formas devido aos atuais avanços tecnológicos. As tecnologias mais utilizadas são as microturbinas a gás e os motores de combustão interna de ciclo Otto. A utilização de microturbinas ainda apresenta custos elevados e o seu tempo de vida útil operando com biogás ainda é baixo. Já os motores de combustão interna de ciclo Otto necessitam de pequenas modificações para poderem utilizar o biogás como combustível. Porém, os motores de ciclo Otto não são os mais indicados para geração de eletricidade. O mais apropriado é o motor de ciclo Diesel, pela sua maior robustez e menor custo para uma mesma potência, comparada ao de ciclo Otto. A introdução de biogás em motores de ciclo Diesel pode ser obtida mediante duas tecnologias: a ottolização e a conversão bicombustível diesel/gás. A frequência da tensão de saída do gerador é uma função do desenho da velocidade do motor e alternador. Para atingir 60 Hz, o rotor do alternador deve rodar a uma velocidade específica para uma determinada configuração dos pólos do alternador. Cinqüenta anos atrás, a maioria dos motores de geração operavam em velocidades abaixo de 900 RPM. Nos últimos 30 anos, no entanto, a velocidade do motor foi aumentada. Assim, a velocidade dos motores para geração foi alterada para 1200 a 1800 RPM. Esta tendência tem afetado os geradores a gás em aplicações de até 150 kWe. Historicamente operado a 1800 RPM, a tecnologia atual otimiza os motores automotivos para operar em 2300, 3000 e 3600 RPM. Alguns fabricantes utilizam uma caixa de redução simples entre motor e alternador de quatro polos para obter o melhor rendimento mecânico / elétrico dos equipamentos.
Recuperação do calor
Para utilizar o calor produzido durante a geração de eletricidade, é necessário recuperá-lo por meio de trocadores de calor. Em uma usina de cogeração movimentada por um motor de combustão, o calor é produzido em diferentes patamares de temperatura. A maior quantidade de calor pode ser extraída por meio do sistema de arrefecimento do motor a combustão. O seu patamar de temperatura é suficiente para que seja utilizado como energia para aquecimento e processos. A figura 6.7 exibe um distribuidor de calor. Para recuperar o calor do sistema de circulação de água, geralmente são utilizados trocadores de calor de placas. O calor recuperado é em seguida transferido para cada um dos circuitos de calor por meio de distribuidores.
Conclusão
Fundamentalmente, a geração e utilização do biogás representam um canal extremamente vantajoso e ecológico de disponibilização de energia quando em comparação com vetores energéticos fósseis. Essa vantagem se faz notar principalmente quando, na geração do biogás, se utilizam resíduos que não exigem custos adicionais de preparo. Dessa perspectiva, vale destacar que o biogás é um vetor energético que propicia um aproveitamento eficiente e o mais completo possível.