UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE
DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO
ANAERÓBIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM:
ENGENHARIA MECÂNICA
ROSANA SOFIA GOMES TAVARES
Vila Real, 2013
UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA SOLAR TÉRMICA COMO FONTE
DE CALOR NO PROCESSO DE DIGESTÃO
ANAERÓBIA
Rosana Sofia Gomes Tavares
Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do
grau mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor
Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges, do Departamento de Engenharia da Escola de
Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
Outubro, 2013
Às minhas
gatinhas
i
O Leão e o Porco
O rei dos animais, o rugidor leão,
Com o porco engraçou, não sei por que razão.
Quis empregá-lo bem para tirar-lhe a sorna
(A quem torpe nasceu nenhum enfeite adorna):
Deu-lhe alta dignidade, e rendas competentes,
Poder de despachar os brutos pretendentes,
De reprimir os maus, fazer aos bons justiça,
E assim cuidou vencer-lhe a natural preguiça;
Mas em vão, porque o porco é bom só para assar,
E a sua ocupação dormir, comer, fossar.
Notando-lhe a ignorância, o desmazelo, a incúria,
Soltavam contra ele injúria sobre injúria
Os outros animais, dizendo-lhe com ira:
«Ora o que o berço dá, somente a cova o tira!»
E ele, apenas grunhindo a vilipêndios tais,
Ficava muito enxuto. Atenção nisto, ó pais!
Dos filhos para o génio olhai com madureza;
Não há poder algum que mude a natureza:
Um porco há-de ser porco, inda que o rei dos bichos
O faça cortesão pelos seus vãos caprichos.
Bocage, in 'Fábulas'
ii
Agradecimentos
Desejo aqui, expressar a minha gratidão para com todos aqueles que tornaram
possível a realização deste trabalho, nomeadamente o meu orientador, Prof. Amadeu
Borges, pelo seu apoio incondicional, disponibilidade e por tudo ter feito no sentido de
responder a todas as minhas dúvidas.
Gostaria igualmente de endereçar um enorme agradecimento à Engª. Paula
Moreira da empresa Veolia Água, pela total disponibilidade e auxílio prestados. Ao colega
Luís Oliveira, pela ajuda preciosa.
Agradeço ainda às instituições Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro e à
ETAR de Valongo, pelos meios que me proporcionaram para a realização deste trabalho.
A todos os meus amigos por todos os momentos bem passados ao longo desta vida
académica, em especial à Andreia e à Bárbara, por todas as conversas e gargalhadas, pela
amizade e atenção, obrigada por estarem sempre aí.
Ao meu namorado, Fábio, por me “aturares” particularmente durante estas longas
horas de dissertação, pelo apoio e carinho e por acreditares em mim.
Aos meus pais e irmã, pelo apoio incondicional, pelo incentivo que sempre me
deram para os estudos e por me aconselharem sem pressões nem julgamentos.
iii
Resumo
A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em
especial no que toca aos resíduos orgânicos. O tratamento biológico da fração orgânica dos
resíduos sólidos urbanos (RSU) constitui uma solução necessária a ter em conta na gestão
de resíduos, ao promover a redução da matéria orgânica, através dos processos de
estabilização e de recuperação de nutrientes. A digestão anaeróbia assume particular
destaque por utilizar ainda o conteúdo energético dos resíduos, convertendo‐o numa fonte
de energia - o biogás.
Para manter a produção de biogás é necessário que o processo de digestão
anaeróbio ocorra a uma temperatura constante e tradicionalmente este aquecimento é feito
com parte do biogás produzido. Se outro tipo de energia renovável for utilizada como fonte
de calor, a reação torna-se muito mais eficiente e a quantidade de biogás produzida
disponível para valorização aumenta substancialmente. É neste contexto, que a energia
solar e a energia geotérmica surgem como uma solução bastante promissora. Pois são
ambas fontes de energia renovável com grande potencial em Portugal.
Este trabalho tem como principal objetivo avaliar a viabilidade de um sistema solar
térmico e de um sistema geotérmico como fonte de calor alterativa durante o processo de
digestão anaeróbia, conduzindo a um aumento da disponibilidade de biogás para conversão,
em energia elétrica, por exemplo.
Nesta dissertação realizaram-se ainda ensaios com lamas de ETAR a uma
temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, avaliando-se a quantidade de biogás
produzida com este tipo de matéria orgânica.
Verificou-se tanto o sistema solar térmico como sistema geotérmico constituem
soluções economicamente e energeticamente atrativas para assegurar as necessidades
energéticas da digestão anaeróbia. No entanto, o sistema solar térmico foi o que apresentou
os melhores resultados, com um payback de apenas 5 anos, o investimento é recuperado a
uma taxa de 17,19%, e gera-se ainda um excedente no final do tempo de vida útil do
equipamento de 88290€.
iv
Abstract
Waste management is under increasing restrictions, mainly concerning the organic
waste. Biologically treating the organic fraction of urban solid waste (USW) is a solution
that must be considered in waste management as it promotes the reduction of organic matter
through processes of stabilization and nutrient recovery. The role of anaerobic digestion
must be particularly emphasized as it converts the energy content of the waste into a power
source - biogas.
In order to stabilize biogas production the anaerobic digestion must occur at a
constant temperature; the heating needed for this process is typically supplied by part of
the produced biogas. If another type of renewable energy is used as a heat source, the
reaction becomes more efficient and the amount of biogas produced made available for
energy recovery increases substantially. Therefore, solar and geothermal energy arise as an
auspicious solution especially since these sources have great promise in Portugal.
The aim of this work is to evaluate the feasibility of both a solar thermal and a
geothermal systems as alternative heat sources during the anaerobic digestion process,
leading to increased availability of biogas for conversion into electrical energy.
Laboratory tests were performed with sewage sludge from a wastewater treatment
plant for an optimum temperature of 35ºC with and without mixing, in order to evaluate
the amount of biogas produced from this type of organic material.
The solar thermal and the geothermal systems are both economically and
energetically attractive solutions to ensure the energy needs of anaerobic digestion.
Nonetheless, the solar thermal system displayed the best results: with a payback of just 5
years the initial investment is recovered at a rate of 17.19%. Moreover, a surplus of €88
290 is generated during the equipment's lifetime.
v
Índice
Agradecimentos
iii
Resumo
iv
Abstract
v
Capítulo 1 – Introdução
Pág.1
1.1. Objetivos
Pág.3
1.2. Enquadramento
Pág.3
1.3. Estrutura da Dissertação
Pág.9
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte de calor para
a digestão anaeróbia
2.1. Fatores que influenciam a digestão anaeróbia
Pág.10
Pág.11
2.1.1. Temperatura
Pág.11
2.1.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH)
Pág.12
2.1.3. Agitação
Pág.13
2.1.4. Tipo de matéria orgânica (substrato)
Pág.13
2.1.5. Tipos de biodigestores (reatores)
Pág.15
2.2. Energia Solar
Pág.17
2.2.1. Vantagens e desvantagens da energia solar térmica
Pág.19
2.2.2. Coletores solares
Pág.20
2.2.3. Contributo para a redução das emissões de CO2
Pág.22
2.3. Energia Geotérmica
Pág.24
Capítulo 3 – Digestão Anaeróbia de Lamas de ETAR para Produção
de Biogás
Pág.31
3.1. Introdução
Pág.31
3.2. Equipamento
Pág.33
3.2.1. Biodigestores
Pág.33
vi
3.2.2. Agitador Mecânico
Pág.34
3.2.3. Banho Termostático
Pág.35
3.2.4. Analisador de Gases
Pág.35
3.3. Procedimento Experimental
Pág.36
3.4. Apresentação e discussão dos resultados
Pág.38
3.5 Conclusões
Pág.40
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Pág.41
4.1. Introdução
Pág.41
4.2. Dimensionamento do sistema solar
Pág.42
4.2.1. Energia útil – apresentação e discussão de resultados
Pág.42
4.2.2. Avaliação da radiação incidente para o concelho de Vila
Real
Pág.44
4.2.3. Apresentação dos coletores solares em estudo
Pág.46
4.2.4. Análise da energia solar captada em função da massa
volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima do
processo de digestão
Pág.49
4.2.5. Fração solar
Pág.54
4.2.6. Cálculo da quantidade de coletores para funcionamento
do sistema solar
Pág.55
4.3. Viabilidade económica
Pág.57
4.4. Impacte Ambiental
Pág.63
4.5. Conclusões
Pág.65
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Pág.66
5.1. Introdução
Pág.66
5.2. Dimensionamento do sistema geotérmico
Pág.67
5.2.1. Sistema GCHPs horizontal
Pág.69
5.2.2. Sistema GCHPs vertical
Pág.72
5.3.Viabilidade Económica
Pág.75
5.4. Comparação entre o sistema geotérmico e o sistema solar
Pág.80
vii
5.5. Conclusões
Pág.82
Capítulo 6 – Conclusões
Pág.83
Bibliografia
Pág.87
Anexos
Pág.93
viii
Índice de Figuras
Figura 1.1 – Evolução do número de infraestruturas de gestão de
resíduos entre 1996 e 2005.[Fonte: PERSU II]
Pág.5
Figura 1.2 – Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão
anaeróbia de RBU, dejetos de animais e biomassa verde para produção
de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009]
Pág.6
Figura 1.3 – Instalação para produção de biogás com aquecimento solar
(Dong & Lu, 2013).
Pág.7
Figura 1.4 – Representação esquemática do sistema de aquecimento da
estufa. (Adaptado de Esen & Yuksel, 2013)
Pág.8
Figura 2.1 – Influência da temperatura no tempo de retenção para que a
digestão anaeróbia ocorra. [Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008]
Pág.11
Figura 2.2 - Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo.
[Fonte: eds.Norte, 2008]
Pág.15
Figura 2.3 - Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com
biomassa em suspensão. [Fonte: eds.Norte, 2008]
Pág.16
Figura 2.4 - Representação gráfica da radiação solar global na Península
Ibérica
(valores
anuais
em
kWh/m2).
[Fonte:
http://www.solarfeedintariff.net]
Pág.18
Figura 2.5 - Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano;
b) Coletor concentrador parabólico; c) Coletor de tubos de vácuo.
[Fonte: www.energiasrenovaveis.com]
Pág.20
Figura 2.6 - Estimativa de poupança de emissões de CO2 e na produção
de AQS através da implementação de instalações solares térmicas em
20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)]
Pág.23
Figura 2.7 - Localização das ocorrências termais cuja temperatura de
emergência é superior a 20ºC. [Fonte: www.lneg.pt]
Pág.25
Figura 2.8 - Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das
Dunas, localizada na Costa de Prata, Santa Cruz é um projeto ecofriendy
que
utiliza
a
energia
geotérmica
para
o
aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A
água proveniente das termas de Chaves é utilizada para aquecimento do
hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte:
http://www.joiadasdunas.com e Lourenço, M. (n.d.)]
Pág.26
Figura 2.9 - Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo.
[Fonte www.ecoforest.es]
Pág.27
ix
Figura 2.10 – Componentes do sistema GSHP: 1) Bomba de calor; 2)
Ligação à terra; 3) Sistema de aquecimento/arrefecimento do interior
[Fonte: Tavares J. (2011)]
Pág.28
Figura 2.11 – Sistemas de ligação à terra para captação de energia
geotérmica: a) captação horizontal; b) captação vertical; c) captação do
lençol freático. [Fonte: www.geotermiadeportugal.pt]
Pág.29
Figura 3.1 - Disposição do equipamento experimental na bancada.
Pág.33
Figura 3.2 - Biodigestor de parede dupla.
Pág.34
Figura 3.3 - Agitador mecânico de hélice.
Pág.34
Figura 3.4 - Banho termostático.
Pág.35
Figura 3.5 - Analisador de gases.
Pág.36
Figura 3.6 - Esquema de funcionamento do biodigestor. [Fonte:
Cardoso, 2011]
Pág.37
Figura 3.7 - Sistema experimental de digestão anaeróbia para produção
de biogás em funcionamento.
Pág.38
Figura 4.1 - Evolução da energia útil anual em função da massa
específica da matéria orgânica e da temperatura ótima.
Pág.43
Figura 4.2 - Gráfico representativo da radiação incidente em função do
tempo
em
Vila
Real.
[Fonte:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radday.php]
Pág.44
Figura 4.3 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o
mês de dezembro para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano,
ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC.
Pág.50
Figura 4.4 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o
mês de julho para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP
e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC.
Pág.50
Figura 4.5 – Comparação dos valores de energia solar obtidos ao longo
do ano para os coletores da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e
Logasol para cada temperatura ótima de funcionamento, considerando
uma massa volúmica de 560kg/m3.
Pág.52
Figura 4.6 – Evolução da fração solar média ao longo do ano em função
da temperatura ótima.
Pág.55
Figura 4.7 – Comparação do investimento, em euros, dos sistemas
solares térmicos da EnergyBand, da Martifer, da Vulcano, da ENP e da
Logasol.
Pág.58
x
Figura 4.8 – Comparação do payback simples obtido para os sistemas
solares térmicos da Energyband, da Martifer e da Vulcano.
Pág.60
Figura 5.1 – a) Principais fontes de calor a baixa temperatura; b)
Permutadores em caracol. [Fonte: www.caleffi.pt]
Pág.70
Figura 5.2 – a) Ilustração de um furo com captação por sonda
geotérmica [Fonte: www.caleffi.pt]; b) Sonda geotérmica RAUGEO
PE100 e PE-Xa [Fonte: www.rehau.com]
Pág.73
Figura 5.3 - Poupança anual, em euros, em função da fonte de energia
tradicional, eletricidade ou gás natural.
Pág.76
Figura 5.4 – Comparação entre o investimento necessário para o sistema
geotérmico GCHPs horizontal e para o sistema solar Vulcano.
Pág.80
Figura 5.5 – Comparação entre a poupança anual adquirida com a
implementação do sistema geotérmico GCHPs horizontal e do sistema
solar Vulcano.
Pág.81
Figura 5.6 – Comparação entre os valores de payback, em anos, obtidos
para o sistema solar térmico e o sistema geotérmico horizontal.
Pág.81
xi
Índice de Tabelas
Tabela 1.1 – Dados reais em 2008 e metas do PERSU II para 2016
relativamente ao destino dos RSU (Fonte: APA)
Pág.4
Tabela 2.1 – Caracterização dos diferentes tipos de substratos
utilizados para produção de biogás. [Fonte: Rajendran et al., 2012]
Pág.14
Tabela 3.1 – Massa volúmica dos RUB utilizados para a produção de
biogás. [Fonte: Russo, n.d. e Rasquilha, 2010]
Pág.32
Tabela 3.2 – Procedimento experimental.
Pág.37
Tabela 3.3 – Quantidade de CO2, CH4 e H2 presente no biogás
produzido a 35ºC.
Pág.38
Tabela 3.4 – Quantidades de metano obtidas por Luostarinen et al.
(2009) e Davidsson et al. (2008).
Pág.39
Tabela 4.1 – Características do sistema matéria orgânica/biodigestor.
Pág.42
Tabela 4.2 – Radiação solar média, temperatura ambiente média e os
dias de cada mês, referentes ao concelho de Vila Real.
Pág.45
Tabela 4.3 – Valores da radiação global incidente corrigida (H),
coeficiente de correção de inclinação (k) e da energia incidente dia por
m2 .
Pág.46
Tabela 4.4 – Características de cada coletor solar em estudo.
Pág.46
Tabela 4.5 – Apresentação das áreas de coletor (m2) em função da
temperatura ótima e da massa volúmica.
Pág.48
Tabela 4.6 – Comparação percentual entre a energia solar captada
(Esolar) pelos coletores da Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol
em relação à captada pelo coletor EnergyBand, para as temperaturas
ótimas de 35 e 40ºC.
Pág.53
Tabela 4.7 – Valores da carga térmica (ECT) e da energia fornecida
pelo sol (Esolar), em MJ/ano.
Pág.54
Tabela 4.8 – Número de coletores solares necessários ao
funcionamento dos sistema solar.
Pág.56
Tabela 4.9 – Consumo específico de gás natural, em m3 por mês.
Pág.58
Tabela 4.10 – Escalões de consumo de gás natural definidos pela
ERSE (1) e respetivo preço (2).(Fonte: ERSE)
Pág.59
xii
Tabela 4.11 – Poupança anual, em euros, em relação à solução
convencional a gás natural.
Pág.59
Tabela 4.12 – VAL, em euros, obtido para cada sistema solar térmico
analisado.
Pág.62
Tabela 4.13 – TIR, em percentagem, obtida para cada sistema solar
térmico analisado.
Pág. 62
Tabela 4.14 – Quantidades, em gramas, de CH4 e CO2.
Pág.63
Tabela 4.15 – Quantidade de CO2, em kg por ano, libertada para a
atmosfera com o sistema tradicional e com o sistema solar térmico.
Pág.64
Tabela 5.1 - Características das bombas de calor da marca Ecoforest.
[Fonte: www.ecoforest.es]
Pág.67
Tabela 5.2 – Potência útil em função da temperatura ótima e da massa
volúmica da matéria orgânica.
Pág.67
Tabela 5.3 - Potência elétrica (WEL) em kW, absorvida pela bomba de
calor em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria
orgânica.
Pág.68
Tabela 5.4 - Potência a permutar com o terreno, em kW, em função da
temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica.
Pág.69
Tabela 5.5 - Rendimentos específicos aproximados das superfícies de
terreno para permutadores em caracol. [Fonte: www.caleffi.pt]
Pág.70
Tabela 5.6 - Superfícies de terreno (S), em m2,necessárias para a
instalação dos permutadores em caracol.
Pág.71
Tabela 5.7 – Dimensões do coletor geotérmico horizontal. [Fonte:
www.rehau.com]
Pág.72
Tabela 5.8 – Comprimento total de tubos (L), em metros, em função
da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica.
Pág.72
Tabela 5.9 - Rendimentos térmicos específicos, ηter , para sondas
geotérmicas. [Fonte: www.caleffi.pt]
Pág.74
Tabela 5.10 - Número de furos necessários para instalação do sistema
GCHPs vertical.
Pág.74
Tabela 5.11 – Preço de um furo geotérmico de alta profundidade (100120m) (Coelho, 2007).
Pág.75
Tabela 5.12 – Comparação do investimento (1), em euros, entre o
sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical, em função da
temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica.
Pág.75
xiii
Tabela 5.13 – Comparação do payback, em anos, entre o sistema de
captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da
energia elétrica.
Pág.77
Tabela 5.14 - Comparação do payback, em anos, entre o sistema de
captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do
gás natural.
Pág.77
Tabela 5.15 – Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de
captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição da
energia elétrica.
Pág.78
Tabela 5.16 - Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de
captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição do
gás natural.
Pág.78
Tabela 5.17 – Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema
de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição
da energia elétrica.
Pág.79
Tabela 5.18 - Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema
de captação GCHPs horizontal e o vertical, resultante da substituição
do gás natural.
Pág.79
xiv
Nomenclatura
Carateres Romanos
a – taxa de atualização
a1, a2 – coeficientes de perdas térmicas (W/m2 ⁰C e W/m2.ºC2)
A – área útil de absorção (m2)
cp – calor específico da mistura (kJ/kg.ºC)
de – diâmetro exterior (mm)
di – diâmetro interior (mm)
ECT – carga térmica (MJ/mês)
Eútil – energia útil (MJ)
Eincidente – energia incidente (MJ/m2)
Ecaptada – energia captada (MJ/m2)
Esolar – energia solar (MJ)
f – fração solar
H – radiação global incidente corrigida (kWh/m2)
I – radiação incidente (W/m2)
k – coeficiente de correção de inclinação do coletor
L – comprimento total de tubos (m)
n – tempo de vida (anos)
Qútil – potência útil (kW)
Qter - potência a permutar com o terreno (kW)
S – superfície de terreno (m2)
Tambiente – temperatura ambiente média de cada mês (ºC)
Tágua rede – temperatura da água da rede (ºC)
T – temperatura (ºC)
Tótima – temperatura ótima de funcionamento do processo de digestão anaeróbia (ºC)
V – volume de mistura (m3)
WEL – potência elétrica absorvida pela bomba (kW)
xv
Carateres Gregos
ρ – massa volúmica da mistura (kg/m3),
ηo – rendimento ótico
ηcoletor – rendimento do coletor
ηter – rendimento térmico específico linear
Abreviaturas
ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
AQS – Águas Quentes Sanitárias
CC-E – Compatible Controle
COP – Coeficiente de Performance
CPC – Combound Parabolic Concentrator (Coletor Concentrador Parabólico)
DRAOT - Direção Regional do Ambiente e Ordenamento do Território
ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais
ENRRUBDA - Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos Biodegradáveis
destinados a Aterros
ERSE – Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos
EU - União Europeia
GSHP - Ground Source Heat Pumps
GCHPs - Ground - Coupled Heat Pumps
GWHPs - Groundwater Heat Pumps
GPL – Gás de Petróleo Liquefeito
n.d. – não disponíevel
ND - Número de Dias de cada mês
PE-Xa – Polietileno reticulado
PERSU II - Plano Estratégico para os Resíduos Sólidos Urbanos
PVC - Polyvinyl chloride
RSU – Resíduos Sólidos Urbanos
RUB - Resíduos Urbanos Biodegradáveis
xvi
TS – Sólidos Totais
TIR – Taxa Interna de Rentabilidade
TRH – Tempo de Retenção Hidráulico
TRS – Tempo de Retenção Sólidos
UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket
VS – Sólidos Voláteis
VAL – Valor Liquido Atualizado
xvii
Capítulo 1 - Introdução
Capítulo 1
Introdução
A União Europeia definiu que até 2020, 20% das necessidades energéticas da
Europa têm de ser asseguradas a partir de fontes renováveis. Pelo menos 25% desta
energia será proveniente de biogás produzido a partir de resíduos orgânicos como: dejetos
de animais, restos de comida, lamas de ETAR, etc. A produção de biogás a partir dos
resíduos animais e lamas é uma forma eficaz de reduzir a as emissões de gases de efeito
de estufa, particularmente de metano e amónia (Holm-Nielsen et al, 2009). A utilização
de RSU para produção de energia secundária como alternativa aos combustíveis fósseis
contribui para a redução da deposição de RSU em aterros assegurando a diminuição do
aquecimento global (Esen & Yuksel, 2013).
O biogás é o combustível, derivado de biomassa, mais divulgado e aceite nos
últimos anos, resultado da criação de instrumentos legislativos para o aumento da
produção dos diversos sectores económicos envolvidos: da produção animal à
agroindústria. Após a sua produção, o biogás pode ser queimado em caldeiras tradicionais
para produção de calor ou ser utilizado como combustível para a geração de eletricidade
ou produção combinada de calor e eletricidade (cogeração), através de diferentes tipos de
tecnologias, tais como motores de combustão interna, turbinas a gás ou as mais recentes
microturbinas ou pilhas de combustível. O biogás pode ainda ser utilizado para produção
de compostos químicos, como combustível para veículos ou ser injetado na rede de gás
natural (Garcia, 2011).
A diminuição das emissões de gases com efeito de estufa, resultante dos
objetivos do protocolo de Quioto, assim como preocupações relacionadas com a saúde
humana e a escassez energética requerem soluções mais sustentáveis para a gestão e
reciclagem dos resíduos sólidos (urbanos e agropecuários), nos quais o biogás resultante
1
Capítulo 1 - Introdução
da digestão anaeróbia combinado com tecnologias de pré e pós-tratamento podem
desempenhar um papel vital.
A digestão anaeróbia consiste num processo em que os resíduos orgânicos
sofrem um processo de degradação, por ação de microrganismos anaeróbios, na total
ausência de oxigénio. Trata-se de um processo que ocorre naturalmente quando as
condições envolventes o propiciam e apresenta como um dos principais produtos o
metano, gás com elevado potencial energético. Com a construção de digestores
anaeróbios (biodigestores), é possível recriar as condições naturais de forma controlada.
No entanto, durante a digestão anaeróbia parte do biogás produzido é
tradicionalmente usado para aquecer os biodigestores. É neste contexto que a energia
solar surge como alternativa para garantir as necessidades energéticas da digestão
anaeróbia, conduzindo a que a quantidade de biogás disponibilizada seja maior. Neste
trabalho pretende-se estudar qual o retorno económico e energético resultante da
valorização energética do biogás produzido com recurso à energia solar térmica.
Recentemente, devido aos sucessivos aumentos no preço dos combustíveis
fósseis, a utilização energia solar para a aquecer biodigestores tonou-se muito atrativa. A
energia solar pode oferecer uma alternativa viável e ao mesmo tempo amiga do ambiente
quando comparada com as práticas convencionais, e pode contribuir significativamente
para a redução de energia consumida, aumentando a quantidade de biogás disponível após
processo (Yiannopoulos et al, 2008).
No entanto, a energia solar pode não conseguir assegurar as necessidades
energéticas na totalidade, principalmente no período de inverno, em que há dias de céu
encoberto (em que a intensidade de radiação é baixa). É neste contexto que a energia
geotérmica surge como auxiliar ao sistema solar no aquecimento dos biodigestores para
produção de biogás. A hipótese de utilização da energia geotérmica como solução no
aquecimento dos biodigestores, em alternativa à utilizada tradicionalmente, e à energia
solar térmica, também é equacionada nesta dissertação.
2
Capítulo 1 - Introdução
1.1. Objetivos
A presente dissertação tem como objetivos:
i)
Realizar ensaios com lamas de ETAR para produção de biogás, à
temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação, analisando a quantidade
de biogás produzida.
ii)
Otimizar a produção de biogás em função da temperatura ótima e da
massa volúmica de matéria orgânica.
iii)
Dimensionar um sistema solar térmico capaz de assegurar as
necessidades energéticas da digestão anaeróbia, estabilizando a
temperatura e aumentando a produção de biogás.
iv)
Avaliar se o sistema solar térmico se apresenta como uma alternativa
viável à utilização de parte do biogás produzido como fonte de calor dos
biodigestores.
v)
Estudo de impacte ambiental.
vi)
Utilizar a energia geotérmica como energia auxiliar do sistema solar
térmico ou como fonte de calor alternativa na produção de biogás.
vii)
Dimensionar o sistema geotérmico de modo a garantir a produção de
biogás e comparar esta solução com o sistema solar térmico.
1.2. Enquadramento
A gestão de resíduos encontra-se cada vez mais sob restrições crescentes, em
especial no que diz respeito aos resíduos orgânicos. A União Europeia (EU), consciente
dos impactos negativos decorrentes da deposição de resíduos orgânicos em aterro
sanitário, impôs metas de diminuição, nomeadamente, uma redução percentual, em peso,
de deposição em aterro a fração biodegradável para 75% em 2006, 50% em 2009 e 35%
em 2016, face aos valores registados em 1995. Para dar forma às exigências impostas,
criou-se o Plano Estratégico para os Resíduos Sólidos Urbanos (PERSU II) em vigor até
2016, e concretamente a Estratégia Nacional de Redução dos Resíduos Urbanos
Biodegradáveis destinados a Aterros (ENRRUBDA) aprovada em 2003, de acordo com a
Diretiva nº1999/31/CE de 26 de Abril transposta para o direito nacional através do
Decreto-Lei nº152/2002, de 23 de Maio.
3
Capítulo 1 - Introdução
Em 2009 a produção de RSU em Portugal Continental atingiu cerca de 5,185
milhões de toneladas, cerca de 1,4 kg por habitante e por dia, valor que vem aumentando
pelo menos desde 2001. Quanto ao destino final dos resíduos sólidos urbanos (RSU)
produzidos, se tivermos em conta as metas previstas para o final do período de vigência
do PERSU II, 2016, observa-se que apenas no caso da incineração há uma aproximação
do valor previsto, não acontecendo o mesmo para os restantes (Tabela 1.1).
Tabela 1.1 – Dados reais em 2008 e metas do PERSU II para 2016 relativamente ao destino dos RSU
(Fonte: APA)
2008
2016 (cenário moderado PERSU II)
65%
25%
18%
20%
Valorização orgânica
8%
35%
Recolha seletiva
9%
20%
Aterro
Incineração
(recuperação energética)
A reduzida percentagem de RSU destinados a unidades de valorização orgânica
tem uma consequência direta na falta de espaço dos aterros em Portugal, estando na sua
maioria com a capacidade de ocupação quase lotada. Se nada for feito ao nível do
tratamento e destino dos RSU, Portugal não cumprirá as metas impostas pela EU, o que
acarretará fortes penalizações e dificuldade em encontrar novas localizações para
infraestruturas de tratamento e deposição.
Atualmente existem 29 sistemas de gestão de RSU em Portugal Continental, 12
na região Norte, 5 na região Centro, 6 nas regiões de Lisboa e Vale Tejo, 5 na região do
Alentejo e 1 na região do Algarve. No âmbito da ENRRUBDA preconizou-se o
agrupamento dos sistemas com vista ao tratamento de resíduos urbanos biodegradáveis
(RUB) no continente (Figura 1.1).
4
Capítulo 1 - Introdução
Figura 1.1 – Evolução do número de infraestruturas de gestão de resíduos entre 1996 e 2005.
[Fonte: PERSU II]
Analisando a Figura 1.1 constata-se que o número de unidades de valorização
orgânica (por processos aeróbios, anaeróbios e pré-tratamento mecânico) existentes é de
facto reduzido, apenas 8. Um aumento do número de unidades de valorização orgânica
significaria retirar matéria orgânica dos aterros, poupando espaço e prevenindo o
problema dos lixiviados, o que equivaleria a 50/56% em termos de carbono e hidrogénio,
podendo dar origem a 30% de biomassa (Gonçalves, 2005).
Neste contexto, o tratamento biológico da fração orgânica dos RSU constitui
uma solução necessária a ter em conta na gestão de resíduos, ao promover a redução da
matéria orgânica, através dos processos de estabilização e de recuperação de nutrientes. A
digestão anaeróbia assume particular destaque por utilizar ainda o conteúdo energético
dos resíduos, convertendo‐o numa fonte de energia - o biogás (Vaz F., 2009). O
ENRRUBDA assume particular destaque à valorização orgânica (Figura 1.2), por
processos anaeróbios, em grande parte, com base na recolha seletiva de RUB. A digestão
anaeróbia é um método adequado para o tratamento de resíduos de instalações pecuárias,
indústrias agro-alimentares, estações de tratamento de águas residuais (ETAR),
produtores agrícolas e para tratamento de resíduos orgânicos em sistemas de gestão de
resíduos (eds.Norte, 2008).
5
Capítulo 1 - Introdução
RUB
Fotossíntese
CO2
Dejetos de animais
Biomassa verde
O2
H2O
Biomassa
Fertilização
Biogás
Unidade de
valorização orgânica
Digestão anaeróbia
Eletricidade e calor
Figura 1.2 – Representação esquemática do ciclo sustentável da digestão anaeróbia de RBU, dejetos de
animais e biomassa verde para produção de biogás. [Adaptado de Holm-Nielsen et al., 2009]
O processo de digestão anaeróbia consiste na transformação biológica de uma
grande variedade de resíduos orgânicos. Por isso, é um processo que necessita de
condições ambientais em equilíbrio de modo a garantir uma maior produção de metano.
No entanto, são muitos os fatores que influenciam o processo de digestão anaeróbia. A
otimização de um biodigestor pode ser feita tendo em conta as condições de temperatura
(sendo que as mais baixas requerem um aquecimento constante ou isolamento térmico do
biodigestor), a quantidade e tipo de matéria orgânica e a forma de alimentação do
biodigestor.
Manter um nível de temperatura ótimo, é fundamental para o crescimento e
atividade das bactérias e, consequentemente, fundamental para obter os melhores
resultados no que diz respeito à produção de biogás (Alkhamis et al., 2000).
Normalmente, o aquecimento do biodigestor é feito à custa da energia produzida a partir
do próprio biogás, resultante da digestão anaeróbia, sendo este queimado numa caldeira.
Contudo, este método implica que parte do biogás produzido, seja consumido durante o
6
Capítulo 1 - Introdução
processo de digestão, tonando o aquecimento excessivamente dispendioso. Conduzindo a
uma redução da quantidade de energia que poderia vir a ser gerada a partir do biogás
(Axaopoulos et al., 2001 e Chandra et al., 2013).
É neste contexto, que a utilização de um sistema solar térmico capaz de
satisfazer as necessidades térmicas do processo de digestão, poderá constituir uma
solução alternativa, uma vez que ao substituir o biogás como fonte de calor, evita o
consumo de biogás para consumo próprio. Deste modo, a produtividade energética do
processo de digestão vai aumentar, ao mesmo tempo que se mantém uma solução
totalmente renovável.
El-Mashad et al. (2003) e Yiannopoulos et al. (2008) descobriram que os
sistemas solares térmicos são ótimos para prevenir variações de temperatura durante a
noite e para manter os biodigestores à temperatura desejada, tornando o processo cerca de
80% mais eficiente (Figura 1.3). Segundo Tiwari e Chandra (1986) os biodigestores
assistidos com sistemas solares produziram mais quantidade de biogás, esta diferença
acentua-se ainda mais durante os meses de inverno.
Figura 1.3 – Instalação para produção de biogás com aquecimento solar (Dong & Lu, 2013).
O aquecimento a energia solar oferece uma solução amiga do ambiente e mais
económica em alternativa ao aquecimento tradicional dos biodigestores e contrui
significativamente para a redução do consumo energético e aumento da estabilidade do
processo (Yiannopoulos et al., 2008 e Tiwari et al. 2003).
7
Capítulo 1 - Introdução
O sistema solar térmico terá de ser dimensionado de modo a garantir não só o
aquecimento do biodigestor, como também de forma a assegurar a sua estabilidade
térmica, uma vez que qualquer variação na temperatura ótima implica alterações
significativas no desenvolvimento bacteriano e, consequentemente, na produção de
biogás.
A energia disponibilizada pelo sol nem sempre é suficiente para manter os
biodigestores aquecidos. Há, por exemplo, períodos chuvosos, dias frios onde o calor
fornecido não é suficiente. Assim, para manter a temperatura, em qualquer circunstância,
é necessário instalar um sistema de aquecimento auxiliar. Optou-se pela energia
geotérmica, por se tratar também de uma fonte renovável e devido ao potencial
geotérmico existente em Portugal.
Tal como a energia solar, a energia geotérmica tem sido estudada como fonte de
energia no processo de digestão anaeróbia para a produção de biogás (Dong & Lu, 2013).
Esen e Yuksel (2013) estudaram uma solução combinada de biogás, energia solar e
energia geotérmica para aquecimento de uma estufa na Turquia (Figura 1.4).
Vaso de expansão
Bomba
de calor
Coletores solares
Aquecimento
Canalização
de biogás
Reator para
produção
de biogás
Estufa
Casa
Coletor geotérmico horizontal (espiral)
Figura 1.4 – Representação esquemática do sistema de aquecimento da estufa.
(Adaptado de Esen & Yuksel, 2013)
Esen e Yuksel (2013) comprovaram que a produção de biogás foi garantida, os
níveis de temperatura necessários para manter vivas as plantas na estufa e para estabilizar
a temperatura do biodigestor foram eficientemente assegurados pelos coletores solares e
8
Capítulo 1 - Introdução
pelo sistema geotérmico. A utilização de energia geotérmica combinada com o sistema
solar térmico revelou-se uma alternativa bastante interessante. A energia solar obtida
pelos coletores pode ser armazenada no subsolo permitindo um aumento considerável da
temperatura deste. O calor daí gerado aquece o biodigestor (reator) ou pode ser
aproveitado em coletores geotérmicos para aquecimento da estufa.
Na presente dissertação será analisada energeticamente a digestão anaeróbia de
RUB para a produção de biogás, equacionando-se um sistema solar ou um sistema
geotérmico, para aquecimento dos biodigestores.
1.3. Estrutura da Dissertação
A presente dissertação é composta por seis Capítulos, incluindo um primeiro de
introdução ao tema e um final de conclusões.
No segundo Capítulo apresentam-se as fontes renováveis de energia para
assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia.
No terceiro Capítulo estuda-se a utilização de lamas de ETAR como substrato da
digestão anaeróbia para produção de biogás, através da realização de ensaios à
temperatura ótima de 35ºC com e sem agitação.
O dimensionamento dos sistema solar térmico é apresentado no Capítulo 4. São
calculadas as necessidades de aquecimento da digestão anaeróbia em função da
temperatura ótima e da massa volúmica de matéria orgânica. Avalia-se a viabilidade
económica da energia solar como fonte de calor na produção de biogás. Realiza-se o
estudo de impacte ambiental da substituição da solução convencional pelo sistema solar
térmico no fornecimento de calor para aquecimento dos biodigestores.
Finalmente, no Capítulo 5 dimensiona-se um sistema de aquecimento de
biodigestores a energia geotérmica para duas tecnologias distintas: captação através de
coletores geotérmicos (GCHPs) horizontais ou verticais. Estuda-se sob o ponto de vista
económico e energético a utilização da energia geotérmica como alternativa à solução
tradicional ou à energia solar para a produção de biogás.
9
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Capítulo 2
Fontes renováveis
de energia como fonte de calor para a digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia é um processo biológico que tem lugar na ausência de
oxigénio e através do qual se verifica a degradação da matéria orgânica por ação de
microrganismos, para produzir biogás. O processo de degradação ocorre por ação
combinada de diferentes populações microbianas, anaeróbias facultativas ou anaeróbias
obrigatórias, segundo três etapas principais:
i)
Hidrólise e acidogénese: São as duas primeiras etapas do processo,
ocorrendo a hidrólise de matéria complexa em compostos mais simples. Os
produtos finais principais desta etapa são ácidos gordos voláteis, dióxido de
carbono e hidrogénio. Em alguns processos industriais o processo de hidrólise
é efetuado numa etapa preliminar de forma a degradar os hidratos de carbono,
antes da matéria ser adicionada ao digestor. Este método possibilita um maior
rendimento na produção de metano e reduz o tempo de digestão;
ii)
Acetogénese: Nesta etapa, as bactérias acetogénicas são responsáveis pela
decomposição dos produtos da acidogénese. Os principais produtos deste
processo são o acetato, o hidrogénio e o dióxido de carbono;
iii)
Metanogénese: As bactérias metanogénicas concretizam a fase final do
processo, convertendo o ácido acético, o hidrogénio e o dióxido de carbono
em metano. Estas bactérias podem ainda usar como substrato o metanol e
outros compostos.
Neste processo, parte da matéria biodegradável é transformada em biogás, gás
essencialmente constituído por metano e dióxido de carbono, resultando o excedente na
produção de composto com possível valor comercial (eds.Norte, 2008).
Com se trata de um processo biológico, manter as condições de vida é essencial.
Assim sendo, a digestão anaeróbia é influenciada pela temperatura, concentração de
10
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
matéria orgânica no biodigestor, tipo de matéria orgânica (substrato), tempo de retenção
hidráulico (TRH) e agitação, etc. Estas diferenças no modo de operação e tipo de processo
apresentam‐se nos próximos subcapítulos.
2.1. Fatores que influenciam a digestão anaeróbia
2.1.1. Temperatura
A temperatura à qual a digestão anaeróbia ocorre influência significativamente a
qualidade, a estabilidade e a velocidade de reação e consequentemente a produção de
metano. Existem três intervalos de temperatura ótimos (Figura 2.1) distintos para a digestão
anaeróbia: psicrofílico (<30°C), mesofílico (30-50°C) e termofílico (50-60°C). Contudo os
micro-organismos anaeróbicos produtores de metano estão presentes nos intervalos
mesofílicos e termofílicos, sendo que a maioria deles pertence à digestão mesofílica
(Hilkiah Igoni et al., 2008).
70
60
Micro-organismos termofílicos
Temperatura [ºC]
50
40
30
Micro-organismos mesofílicos
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tempo de retenção em dias
Figura 2.1 – Influência da temperatura no tempo de retenção para que a digestão anaeróbia ocorra.
[Adaptado de Deublein & Steinhauser, 2008]
Durante o intervalo termofílico, com o aumento da temperatura, o processo de
digestão anaeróbia torna-se gradualmente mais instável, requerendo mais energia, apenas
alguns microorganismos conseguem produzir metano. Hilkiah Igoni et al. (2008) e
Deublein e Steinhauser (2008) repararam que selecionar o intervalo de temperaturas
adequado é vital, mas que a estabilidade do processo de digestão anaeróbia é um fator ainda
11
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
mais importante. Os micro-organismos metanogénicos são sensíveis a variações repentinas
de temperatura. Mesmo variações pequenas da temperatura podem levar a uma diminuição
substancial da atividade dos micro-organismos, para intervalos de temperatura mesofílicos
de 40°C a 50°C chega mesmo a ser um processo irreversível, com perda completa da
atividade (Deublein & Steinhauser, 2008)
Assim, as oscilações de temperatura nunca deverão ultrapassar os 2°C. Caso
contrário, poderão ocorrer perdas na ordem dos 30% na produção de metano. Deublein e
Steinhauser (2008) defendem que o balanço de energia é melhor para intervalos mesofílicos
de que para intervalos termofílicos. Assim, o intervalo de temperatura ótimo escolhido para
a produção de metano é o intervalo mesofílico de 30°C a 40°C.
2.1.2. Tempo de retenção hidráulico (TRH)
O volume do digestor pode ser definido com base no tempo de retenção de sólidos
dado que o processo de digestão é função do tempo requerido pelos micro-organismos para
digerir a matéria orgânica e para a reprodução. Em sistemas sem retirada de sobrenadante,
o tempo de retenção de sólidos (TRS) é igual ao tempo de retenção hidráulico (TRH)
(Garcia, 2011).
A digestão anaeróbia é um processo lento e leva cerca de três semanas para que os
micro-organismos de adaptem às novas condições, sempre que a temperatura ou o substrato
variem (Rajendran et al., 2012). TRT é o tempo médio de retenção da matéria orgânica no
biodigestor. Para intervalos mesofílicos o tempo de retenção varia entre 20 e 50 dias (Figura
1.5). Com tempos de retenção mais curtos há risco das bactérias metanogénicas sofrerem
lavagem, enquanto que tempos de retenção mais longos requerem um maior volume de
biodigestor e consequentemente um maior investimento (Yadvika et al., 2004).
12
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
2.1.3. Agitação
A agitação é também um parâmetro essencial para otimizar a produção de biogás.
Agitação a mais pode stressar os micro-organismos e na ausência de agitação há formação
de escória (Rajendran et al., 2012).A agitação serve para manter a concentração de matéria
orgânica uniforme, mantendo a temperatura constante e prevenindo a formação de escória
e a deposição de resíduos sólidos. Os principais sistemas de agitação em digestores
anaeróbios incluem: a) recirculação de lamas, b) agitação mecânica e c) recirculação e
injeção de biogás (Hilkiah Igoni et al., 2008 e Yadvika et al., 2004).
A agitação nem sempre é aplicada de forma contínua, é muitas vezes intermitente,
podendo ser realizada várias vezes ao dia ou por hora (Ward et al.,2008).
2.1.4. Tipo de matéria orgânica (substrato)
Em teoria, quase todos os tipos de biomassa são degradáveis por processos
anaeróbios. Contudo, a escolha de substrato depende da sua facilidade de acesso, do tipo
de biodigestor e das condições de operação. Os resíduos deverão conter os níveis adequados
de matéria orgânica e de elementos essenciais ao crescimento e multiplicação dos
microrganismos intervenientes no processo (Gonçalves, 2005). Os dejetos de bovino/suíno
são a fonte tradicional para produção de biogás por digestão anaeróbia. A sua escolha devese ao elevado teor em metano, cerca de 60%, para dejetos de suíno, e cerca de 50%. para
dejetos de bovino. Já os RUB são substratos pouco explorados, pois contêm um alto teor
em gordura (gordura animal ou óleo vegetal) que pode aumentar significativamente a
quantidade de biogás produzida (Rajendran et al., 2012).
Os diferentes tipos de substratos utilizados para a produção de biogás, estão
classificados de acordo com a quantidade de matéria seca, teor de cinzas, nutrientes
digestíveis totais e quantidade de biogás produzida (Tabela 2.1).
13
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Tabela 2.1 – Caracterização dos diferentes tipos de substratos utilizados para produção de biogás.
[Fonte: Rajendran et al., 2012]
Tipo de
substrato
Dejetos
Resíduos
Agricultura
Restos de
comida
Matéria
seca
Teor em
cinzas
Nutrientes
digestíveis
(%)
(%)
(%)
Bovino
38
14
92
0,6-0,8 m3/kg TS
Suíno
20-25
n.d.
n.d.
0,27-0,45 m3/kg TS
Bufálo
14
n.d.
n.d.
n.d.
Cavalo
28
n.d.
n.d.
0,4-0,6 m3/kg TS
Humanos
20
n.d.
n.d.
n.d.
Arroz
91
13
40
0,55-0,62 m3/kg TS
Trigo
91
8
43
0,188 m3/kg VS
Milho
86
n.d.
n.d.
0,4-1,0 m3/kg TS
Erva
88
6
58
0,28-0,55 m3/kg VS
Café
28
8
n.d.
0,300-0,450 m3/kg
VS
Leite
94
10
82
n.d.
Vegetais
5-20
n.d.
n.d.
0,4 m3/kg TS
Fruta
17
2
70
n.d.
Ovos
25
n.d.
n.d.
0,97-0,98 m3/kg TS
Cereais
85-90
n.d.
n.d.
0,4-0,9 98 m3/kg
TS
Cozinha/Restaurante
27/13
13/8
n.d.
0,506/0,650 m3
CH4/kg VS
Classificação
Quantidade de
biogás produzida
*n.d.- não disponível; VS – Sólidos Voláteis; TS – Sólidos Totais
14
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
2.1.5. Tipos de biodigestores (reatores)
Existem dois tipos básicos de biodigestores (reatores) que podem ser utilizados
para processos de digestão anaeróbia, descontínuo e contínuo (Figura 2.2). Num processo
batch ou descontínuo, a matéria orgânica é introduzida na totalidade no reator, ficando
retida durante um determinado período de tempo até ao final da degradação. Isto implica
que as diferentes fases de degradação ocorram sequencialmente e que a produção de biogás
se processe de forma descontínua. Num processo contínuo, a matéria orgânica está
continuamente a ser adicionada ao reator com consequente saída contínua de matéria
tratada, permitindo que o volume se mantenha constante ao longo do tempo. Nesse sentido,
as reações ocorrem simultaneamente, produzindo biogás de forma contínua.
Figura 2.2 - Sistema de digestão anaeróbica em descontínuo e contínuo. [Fonte: eds.Norte, 2008]
Existem três modelos principais de digestores anaeróbios em descontínuo (Figura
2.3): reator simples de apenas uma fase, reator descontínuo de duas fases (neste caso a
metanogénese ocorre apenas no segundo reator) e reator descontínuo híbrido UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
15
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Figura 2.3 - Modelos de digestores anaeróbios em contínuo com biomassa em suspensão.
[Fonte: eds.Norte, 2008]
O CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) trata-se do modelo de digestor
anaeróbio mais utilizado que se caracteriza pela ininterrupta alimentação, assim como, pela
contínua saída de efluente do mesmo. A agitação proporciona as condições de mistura
fundamentais ao funcionamento adequado do sistema. Devido às suas características é
adequado para o tratamento de resíduos concentrados, com elevado teor de sólidos e de
material grosseiro, facilitando a manutenção da biomassa estável no interior do digestor.
O reator de contacto é semelhante ao CSTR, no entanto, apresenta um sistema de
separação e recirculação de lama.
O processo de um digestor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) consiste na
formação de grânulos de microrganismos que devido à sua densidade apresentam facilidade
de sedimentação e proporcionam uma grande área ativa para contacto com o substrato,
16
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
aumentando o rendimento do processo. Este modelo de reator tem capacidade para tratar
elevadas cargas orgânicas de natureza solúvel.
O modelo fluxo-pistão caracteriza-se pela entrada do resíduo no digestor por um
dos lados provocando a deslocação de todo o conteúdo do digestor, culminando com uma
saída do lado oposto da mesma quantidade de resíduo tratado. O biogás formado fica retido
na cobertura de tela.
2.2. Energia Solar
A energia solar apresenta um potencial elevadíssimo. Esta energia alcançada na terra,
relativamente a duas semanas, é equivalente à energia armazenada em todas as reservas
conhecidas de carvão, petróleo e gás natural. A energia solar atinge a atmosfera terrestre
com a intensidade da ordem de 1373 W/m 2 e dispõe de uma média anual de 2200 a 3000
horas de Sol no Continente, e de 1700 e 2200 horas, respetivamente, para os arquipélagos
dos Açores e da Madeira. Em condições de céu claro e segundo um plano perpendicular
este valor reduz-se a cerca de 1000 W/m 2 junto à superfície terrestre, uma vez que parte
desta energia inicial é absorvida ou refletida pela atmosfera (Figura 2.4) (DGEG, 2013).
17
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Figura 2.4 - Representação gráfica da radiação solar global na Península Ibérica (valores anuais em
kWh/m2). [Fonte: http://www.solarfeedintariff.net]
Todas as formas de energia renovável são, de um modo geral, com exceção da
energia geotérmica e da energia das marés, derivadas da energia solar, com a qual estão
relacionadas. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de
energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência
mecânica ou elétrica.
Um sistema solar é composto por três elementos básicos, sendo eles, a disposição
do coletor, do sistema térmico de armazenamento e da carga. A maioria dos sistemas solares
consiste numa combinação de fontes solares e auxiliares, sendo estes apelidados de
sistemas ativos.
Os sistemas ativos são considerados, em que o transporte de calor se faz por meios
artificiais, ou seja, sendo necessário despender energia. Este é o caso de sistemas de
aquecimento de águas em que o fluido que circula nos coletores é acionado por uma bomba.
18
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Nos sistemas passivos o transporte e utilização do calor são feitos por meios naturais, sem
dispêndio de energia auxiliar.
A circulação do fluido térmico pode realizar-se de duas formas:
i)
Sistema de circulação forçada: utiliza uma bomba que promove o
transporte do fluido térmico entre os coletores e o depósito. O fluido no
circuito primário transfere o calor através de um permutador (e.g.
serpentina) que pode estar ou não localizado no interior do depósito
acumulador da água de consumo. Trata-se de um sistema regulado através
de comando diferencial que ativa a bomba sempre que a água estiver mais
quente nos coletores do que no depósito;
ii)
Sistema com termossifão: dependente da circulação natural do fluido
térmico, com base na diferença de densidades e na ação da gravidade.
Sempre que exista diferença de temperatura entre o depósito e o coletor, a
água quente, tendo uma densidade menor, sobe do coletor para o depósito
sendo reposta por água mais fria que desce e reentra no coletor.
2.2.1. Vantagens e desvantagens da energia solar térmica
A utilização de energia solar em Portugal tem algumas vantagens óbvias, que
começam na quantidade de horas de sol existentes no nosso país. É a fonte de energia mais
barata, diminuindo os custos de exploração, aumenta a independência dos aumentos de
preços dos combustíveis fosseis, logo permite obter uma poupança energética e económica
(que chega a atingir em alguns casos mais de 80%) e constante, mesmo nos dias nublados,
não polui o ambiente. Também a grande disponibilidade de tecnologia no mercado, são
fatores que transformaram a energia solar térmica uma das mais comuns, vantajosas e
atrativas formas de energia renovável.
A grande desvantagem deste tipo de energia, é o elevado investimento inicial na
instalação solar, apresenta-se por vezes, como o maior entrave ao desenvolvimento desta
situação.
19
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
2.2.2. Coletores solares
Este tipo de energia é determinada pela capacidade de um dado corpo ser capaz de
absorver energia, sob a forma de calor, a partir da radiação solar. A utilização desta forma
de energia implica saber captá-la e armazená-la. Neste contexto, os equipamentos mais
utilizados com o objetivo específico de se utilizar a energia solar térmica são conhecidos
como coletores solares.
Os coletores solares são, em termos práticos, aquecedores de fluidos (líquidos ou
gasosos), e são classificados por coletores concentradores e coletores planos em função da
existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. De um modo geral, os
coletores a água (líquido), são mais usados, uma vez que os líquidos transferem melhor o
calor que o ar. A água é aquecida usando a energia proveniente dos raios solares captados
por um ou mais coletores solares. No sistema solar a instalar, para além dos coletores
solares é incluído um acumulador, que terá a função de armazenar água quente. Para
assegurar a continuidade do abastecimento de água quente nos dias mais cinzentos, um
sistema solar tem de contemplar a existência de um sistema de apoio energético.
Existem vários tipos de coletores solares térmicos (sem cobertura, planos,
seletivos, vácuo, CPC, etc.), cada um destinado a diferentes aplicações com custos e ganhos
energéticos próprios (Figura 2.5).
a)
b)
c)
Figura 2.5 - Tipo de coletores solares térmicos: a) Coletor solar plano; b) Coletor concentrador parabólico;
c) Coletor de tubos de vácuo. [Fonte: www.energiasrenovaveis.com]
O coletor solar plano é o mais comum e destina-se a produção de água quente a
temperaturas inferiores a 60ºC. É formado por uma: a) cobertura transparente que serve
para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a
20
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
estanquicidade do coletor; b) placa absorsora: serve para receber a energia e transformá-la
em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em
paralelo ou serpentina. Para obter maior rendimento existem superfícies seletivas que
absorvem como um corpo negro mas perdem menos radiação; c) caixa isolada que serve
para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez
e proteger o interior do coletor dos agentes externos. Ao fazer circular o fluido térmico
através dos tubos dos coletores, retira-se calor destes podendo aproveitar este calor para
aquecer um depósito de água;
Os coletores de tubo de vácuo consistem geralmente em tubos de vidro
transparente cujo interior contêm tubos metálicos (absorvedores). A atmosfera interior dos
tubos livres de ar, eliminam desta forma as perdas por convenção, elevam o rendimento a
altas temperaturas devido a menores coeficientes de perda a eles associados;
Os coletores concentrador parabólico (CPC) distinguem-se dos coletores planos
pelo uso de refletores para concentração da radiação e pela geometria da superfície
absorsora. Nos coletores planos existe uma superfície plana à qual estão soldados os tubos.
No caso dos CPC’s a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e
colocadas no foco da superfície refletora. A captação solar realiza-se nas duas faces das
alhetas já que o sol incide na parte superior das alhetas e os raios que são refletidos acabam
por incidir na parte inferior das alhetas, aumentado assim ainda mais a temperatura do
fluido e diminuindo as perdas térmicas.
Os coletores solares planos são, hoje em dia, largamente usados para
aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc. Estes coletores são largamente
utilizados nestas áreas, devido ao facto de proporcionarem conforto e também, pelo facto,
de ser possível obter uma redução da fatura energética. Os coletores planos não permitem
obter temperaturas superiores a 90ºC. Quando se pretende temperaturas mais elevadas têm
de se usar coletores de vácuo (até 50ºC), ou concentradores (temperaturas ainda superiores).
Os coletores solares são normalmente dimensionados para satisfazer entre 60% a
80% das necessidades de água quente (evitando sobreaquecimentos). Os restantes 20% são
assegurados por outra fonte de aquecimento (sistema auxiliar), normalmente eletricidade
ou gás.
21
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Um sistema de aquecimento deste tipo implica a instalação de uma série de painéis
solares em coberturas inclinadas, estando quase sempre por debaixo deles, dentro ou fora
da cobertura, o reservatório térmico de água. Estes sistemas de aquecimento, prevendo os
dias de céu encoberto, estão associados a sistemas complementares de aquecimento
elétricos, a gás ou energia geotérmica, que se ligam automaticamente quando o nível de
aquecimento pretendido não for atingido.
2.2.3. Contributo para a redução das emissões de CO2
O agravamento do efeito de estufa é um dos problemas mais discutidos na
atualidade, sobretudo pela queima de combustíveis fósseis para produção de energia
elétrica, originando um elevado volume de emissões de dióxido de carbono (CO2) para a
atmosfera.
Em 1997 foi aprovado no âmbito das Nações Unidas o Protocolo de Quioto, onde
foram identificados muitos dos gases responsáveis pelo aumento do efeito de estufa,
nomeadamente o CO2, o metano, o óxido nitroso, os clorofluorcarbonetos, etc.
O contributo que os sistemas solares térmicos podem ter na redução de emissões
de CO2e
(1)
(CO2 equivalente) pode ser expresso indiretamente pela quantidade de
combustível fóssil que se evitou queimar, na produção de Águas Quentes Sanitárias (AQS).
À escala nacional, a extensão da adoção de sistemas solares térmicos para mais 20% das
famílias portuguesas daria origem a uma redução de emissões de CO2 apresentada na Figura
2.6.
22
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Figura 2.6 - Estimativa de poupança de emissões de CO2e na produção de AQS através da implementação de
instalações solares térmicas em 20% das famílias portuguesas. [Fonte: Duarte, P. (2012)]
Da análise da Figura 2.6 conclui-se que os GPL’s são responsáveis por mais de
190 mil toneladas de CO2e e o gás natural com mais de 107 mil toneladas.
(1)
A unidade CO2 equivalente corresponde a uma média pesada das quantidades emitidas por cada gás, pela
sua atividade em termos de aumento do efeito de estufa. Os principais gases com efeito de estufa pertinentes
na análise são o dióxido de carbono, o metano e o óxido nitroso, com os respetivos pesos CO2=1, CH4=21 e
N2O=310. [Duarte, P. (2012)]
23
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
2.3. Energia Geotérmica
A Terra contém uma notável quantidade de calor. Segundo os conhecimentos
atuais, cerca de 99% da sua massa encontra-se a temperaturas que ultrapassam os 1000°C,
com valores compreendidos entre os 6000 e os 6500°C no núcleo central. A energia
geotérmica é a designação dada ao aproveitamento do calor proveniente do interior da
Terra. O interesse atual por este tipo de calor deve-se ao facto de poder vir a ser uma
importante fonte de energia alternativa, que pode ser utilizada, por exemplo, para produzir
energia elétrica, para realizar processos tecnológicos, para aquecer ambientes e para obter
AQS (água quente sanitária). O aproveitamento da energia geotérmica implica a existência
de um fluido que transporta o calor do interior da terra para a superfície.
Os recursos geotérmicos são normalmente classificados de acordo com a entalpia
específica do fluido, sendo divididos, em duas categorias: a) Recursos de baixa entalpia
com temperaturas entre 20 e 150ºC, com aplicações diversas: no aquecimento industrial,
de habitações (climatização e AQS) ou estufas, na desidratação de frutos e vegetais,
aquacultura, balneoterapia, entre outros; b) Recursos de alta entalpia com temperaturas
superiores a 150ºC, em que o calor latente pode ser convertido em energia elétrica.
Portugal continental possui um apreciável potencial geotérmico, devido à sua
complexa e diversificada geologia, evidenciada pelo elevado número de ocorrências com
temperatura de emergência superior a 20°C, utilizadas com finalidades termais desde a
colonização romana (Figura 2.7). Considerando como água termal a água de origem
subterrânea, cuja temperatura de emergência excede os 20°C, verifica-se que muitas águas
minerais possuem temperatura superior a esse valor. As ocorrências de água termal em
Portugal continental encontram-se desigualmente distribuídas observando-se uma
concentração mais pronunciada a Norte. Isto deve-se à localização dos acidentes tectónicos,
que favorecem a circulação ascendente rápida dos fluidos.
24
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Maciço Hespérico
Zona Centro Ibérica
Sub-zona Galiza Média
Zona de Ossa Morena
Zona Sul Portuguesa
Orlas Meso-Cenozóicas Ocidental
e Meridional
Bacia Terciária do Tejo e Sado
Ocorrência Termal
Ocorrência termal em exploração
Temperaturas
20ºC ≤ T < 40ºC
40ºC ≤ T < 60ºC
60ºC ≤ T < 80ºC
Falha
Possível falha
Figura 2.7 - Localização das ocorrências termais cuja temperatura de emergência é superior a 20ºC. [Fonte:
www.lneg.pt]
25
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Nos últimos anos tem-se vindo a observar um interesse crescente na realização de
estudos e projetos para o aproveitamento da energia geotérmica, para uso direto,
nomeadamente o aquecimento dos próprios estabelecimentos termais, de unidades
hoteleiras, de piscinas, de estufas agrícolas e para AQS (Figura 2.8). O aproveitamento do
recurso geotérmico de baixa entalpia é uma alternativa de futuro, como já acontece em
outros países da Europa, espera-se o crescimento deste mercado em Portugal.
a)
b)
Figura 2.8 - Aplicações da energia geotérmica em Portugal: a) Joia das Dunas, localizada na Costa de Prata,
Santa Cruz é um projeto eco-friendy que utiliza a energia geotérmica para o
aquecimento/arrefecimento do interior das habitações e da piscina; b) A água proveniente das termas
de Chaves é utilizada para aquecimento do hotel Aqua Flavie e das piscinas municipais. [Fonte:
http://www.joiadasdunas.com e Lourenço, M. (n.d.)]
A energia geotérmica, em relação a outras fontes de energia, tem a vantagem de
não depender das condições atmosféricas (por ex.: sol, vento ou marés), nem sequer das
reservas de substâncias combustíveis (por ex.: biomassa). Trata-se, por isso, de um tipo de
energia estável e fiável.
Com os sistemas Ground Source Heat Pumps (GSHP) é possível aproveitar o calor
armazenado no subsolo ou em águas freáticas para climatizar os nossos edifícios de forma
mais económica, contribuindo para solucionar o problema da degradação ambiental do
planeta.
Nas estações frias, o calor armazenado no subsolo é recuperado através de um
sistema de tubos subterrâneos, localizado perto da bomba de calor. Nas estações frias o
processo é invertido, sendo o calor transferido e dissipado no solo.
26
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
Este sistema permite que estas unidades tenham uma elevada eficiência energética.
As bombas de calor conseguem proporcionar por si só o aquecimento no Inverno ou o
arrefecimento no Verão, constituindo um sistema de climatização integral com uma única
instalação.
A bomba de calor funciona a eletricidade, não necessitando de outra fonte de
energia como combustíveis fósseis. Assim, não liberta gases resultantes de queima,
nomeadamente CO2, tonando-se uma tecnologia muito competitiva em termos de conforto,
também devido ao reduzido nível de ruído.
Com a profundidade aumenta o rendimento térmico dos sistemas geotérmicos
(Figura 2.9), já que abaixo dos 20 m (devido ao efeito do calor produzido pela terra) a
temperatura do subsolo cresce cerca de 3°C a cada 100m.
Fevereiro
Maio
Novembro
Agosto
Figura 2.9 - Distribuição aproximada de temperaturas no subsolo. [Fonte www.ecoforest.es]
Um sistema GSHP tem três componentes principais: uma bomba de calor, uma
ligação à terra e um sistema de distribuição aquecimento/arrefecimento no interior do
edifício (Figura 2.10). Estes três componentes principais, juntamente com as diferentes
configurações de conexão de terra constituem uma instalação típica de GSHP.
27
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
3
1
2
Figura 2.10 – Componentes do sistema GSHP: 1) Bomba de calor; 2) Ligação à terra; 3) Sistema de
aquecimento/arrefecimento do interior [Fonte: Tavares J. (2011)]
A ligação à terra é onde o calor do subsolo se transfere para o fluido que circula
nos tubos (de polietileno) enterrados. O fluido que circula é uma mistura entre água e uma
solução anticongelante. Para além do subsolo como fonte de calor, também se usa águas
subterradas ou mesmo águas superficiais. A American Society of Heating, Refrigerating
and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) adotou a seguinte nomenclatura para
distinguir os vários tipos sistemas de ligação terra existente:
a)“Ground - Coupled Heat Pumps” (GCHPs) – usa a terra como fonte de calor e
utilizam-se permutadores horizontais ou verticais;
b) “Groundwater Heat Pumps” (GWHPs) – usa águas subterrâneas (lençóis
freáticos) como fonte de calor.
No sistema GCHPs horizontal (Figura 2.11-a) os tubos são colocadas
horizontalmente à superfície do terreno de 0,8 a 4 metros de profundidade conforme a
orientação geográfica. São tubos sob pressão em polietileno ou cobre revestidos de PVC
nos quais circula água glicolada ou fluido frigorígeno. Este sistema precisa de uma
superfície de terreno de 1,5 a 2 vezes a superfície habitável a aquecer. A natureza do solo
e a exposição do terreno têm muito pouca influência no sistema. O sistema não provoca
nenhuma modificação no terreno: é possível jardinar, colocar relvado e arbustos à
28
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
superfície do sistema. É possível plantar árvores ou colocar um revestimento (alcatrão, etc.)
a uma distância mínima de 2 metros da zona de captação.
Os sistemas GCHPs verticais (Figura 2.11-b) não ocupam espaço no terreno e
apresentam menos flutuações de temperatura porque as sondas são colocadas num ou vários
furos de 80 a 162 metros de profundidade, no entanto o custo de instalação é superior ao
do GCHPs horizontal.
No sistema GWHPs (Figura 2.11-c) o circuito capta o calor da água de um lençol
freático com um furo profundo geralmente de 8 a 50 metros, segundo as regiões. A bomba
de calor capta a energia contida, não no solo como na captação horizontal ou vertical, mas
na água do lençol freático que se mantém a uma temperatura constante todo o ano (de 9ºC
a 12ºC). Este sistema bombeia a água por perfuração num primeiro furo a montante do
lençol freático e em seguida deposita-a num segundo furo, ou num poço a jusante do lençol
freático.
a)
b)
c)
Figura 2.11 – Sistemas de ligação à terra para captação de energia geotérmica: a) captação horizontal; b)
captação vertical; c) captação do lençol freático. [Fonte: www.geotermiadeportugal.pt]
29
Capítulo 2 – Fontes renováveis de energia como fonte calor para a digestão anaeróbia
A utilização de GSHP, como tecnologia que permite a troca de energia com a
crosta terrestre através de permutadores instalados no solo, poderá representar um potencial
acrescido para a geotermia nacional. Nesta dissertação esta fonte de energia renovável irá
ser utilizada para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia (Capítulo 5),
podendo constituir uma solução alternativa à queima de biogás produzido e/ou funcionar
como sistema auxiliar de energia do sistema solar térmico.
30
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
Capítulo 3
Digestão anaeróbia
de lamas de ETAR para produção de biogás
3.1. Introdução
A fração orgânica dos RSU, designada por resíduos sólidos biodegradáveis
(RUB), é constituída por componentes que podem ser convertidos biologicamente, através
da digestão anaeróbia, em biogás. As lamas de ETAR constituem uma importante fonte de
matéria orgânica, uma vez que a sua produção anual é, a nível europeu, cerca de duas vezes
superior à dos RSU, atingindo cerca de um terço da produção anual dos resíduos
provenientes das explorações pecuárias. Em Portugal, a produção de lamas atingiu as
250000 toneladas em 1998, prevendo-se que possa alcançar quantidades da ordem das
350000 toneladas de matéria seca em 2005 (Gonçalves, 2005). Este tipo de lamas constitui
um subproduto do processo de depuração das águas residuais urbanas que afluem às redes
de saneamento municipais, vulgarmente - esgotos, águas essas que apresentam elevados
níveis de sólidos suspensos, de carência bioquímica de oxigénio e de microrganismos de
origem fecal, eventualmente patogénicos.
Quando depositadas no solo sem qualquer tratamento, as lamas libertam gases
tóxicos, resultado da decomposição anaeróbia, o que origina poluição atmosférica e riscos
para a saúde, contaminação do solo e das águas subterrâneas. Os metais pesados têm um
efeito cumulativo e tóxico, pelo que, a ingestão de alimentos produzidos no solo
contaminado e a utilização destas águas de má qualidade pode ser letal (Vaz, F., 2009).
O biogás será produzido a partir da digestão anaeróbia de lamas de ETAR. A
escolha das lamas de ETAR como substrato deve-se não só à sua abundância e facilidade
de recolha, mas também porque o aproveitamento dos resíduos urbanos biodegradáveis
(RUB) é essencial para que sua deposição em aterros seja atenuada, idealmente extinta.
31
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
A digestão anaeróbia de lamas para produção de biogás é uma tecnologia eficiente
e amiga do ambiente, que possibilita a produção de calor, eletricidade, enquanto reduz o
volume de RSU. Em 2006, na Finlândia, 15 biodigestores produziram 23,5 milhões de m3
de biogás dos quais 20,3 milhões foram utilizados para produção de energia (28 GWh de
eletricidade; 79 GWh de calor; 1,9 GWh de energia mecânica) (Luostarinen et al., 2009).
As caraterísticas dos RUB (Tabela 3.1) podem variar de acordo com a zona ou
país de origem, devido ao consumo de água e à indústria local. A quantidade total de sólidos
(TS) contida nas lamas é normalmente pequena quando comparada com o volume total de
lamas. Com a digestão anaeróbia das lamas há degradação dos sólidos voláteis (VS) - a
fração orgânica das lamas, e consequentemente ocorre uma diminuição do volume inicial
(Luostarinen et al., 2009).
Segundo Luostarinen et al. (2009), a temperatura ótima de funcionamento de um
biodigestor para produção de biogás a partir de lamas de ETAR situa-se entre 35 a 38ºC.
Tal como vimos no Capítulo 2, este intervalo encontra-se dentro do intervalo de
temperaturas mesofílico. Mas tanto Luostarinen et al. (2009) como Davidsson et al., (2008)
utilizaram 35ºC como temperatura ótima para a realização dos seus ensaios para produção
de biogás a partir de lamas. As lamas de ETAR são facilmente biodegradáveis, e
apresentam um potencial de produção de metano aproximado de 300-400 m3/t de volume
de sólidos adicionado.
Tabela 3.1 – Massa volúmica dos RUB utilizados para a produção de biogás.
[Fonte: Russo, n.d. e Rasquilha, 2010]
Tipo de substrato (RUB)
Massa volúmica (kg/m3)
Restos de comida
130-480
Papel
130
Têxteis
100
Resíduos jardim
225
Madeira
130-285
Lamas ETAR
560
Neste Capítulo apresentam-se os resultados obtidos com a realização de quatro
ensaios experimentais com lamas, provenientes da ETAR de Valongo.
32
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
3.2. Equipamento
Para a disposição o equipamento dividiu-se a bancada em três partes (Figura 3.1),
a parte inferior, onde se colocaram dois banhos térmicos, a parte intermédia que suporta
quatros biodigestores, e a parte superior onde foram acoplados quatros agitadores, para que
estes ficassem alinhados com os biodigestores correspondentes. No topo da bancada
encontram-se quatros balões ligados aos respetivos biodigestores.
Figura 3.1 - Disposição do equipamento experimental na bancada.
3.2.1. Biodigestores
Para os ensaios, utilizaram-se quatro biodigestores de parede dupla (Figura 3.2),
onde no interior das paredes circula água quente, fornecida pelo banho termostático, que
permite manter as lamas à temperatura ótima desejada.
Os digestores são da marca Lenz, modelo LF150, construídos em vidro, têm uma
configuração cilíndrica e um volume de 5 litros. Este recipiente contém quatro orifícios,
sendo um deles para instalar um agitador, outro para a saída do biogás produzido, e os dois
restantes servem para controlar outros parâmetros.
33
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
Figura 3.2 - Biodigestor de parede dupla.
3.2.2. Agitador mecânico
Utilizou-se um agitador mecânico de hélice, da marca VELP SCIENTIFICA,
modelo F20100152 (Figura 3.3). Este funciona para média e baixa velocidade na agitação
de líquido, sendo que tem uma capacidade de agitação até 15L de água, com ajuste de
velocidade a variar entre 50 e 1300rpm. O aparelho dispõe de um sistema de segurança,
que o bloqueia em caso de sobreaquecimento.
Figura 3.3 - Agitador mecânico de hélice.
34
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
3.2.3. Banho Termostático
O banho termostático foi utilizado para aquecer a água que circulava no interior
da parede dos biodigestores, e consequentemente manter as lamas à temperatura pretendida.
É da marca Huber, construído em aço inoxidável com isolamento, e é adequado para
aquecer água até temperaturas de 200ºC, e tem uma capacidade de 8,5-25 litros (Figura
3.4). Este banho tem incorporado um controlador CC-E (Compatible Controle), com um
termóstato de imersão e uma bomba de pressão. As partes que estão em contacto com a
água, ou sujeitas à humidade, são em aço inoxidável.
Figura 3.4 - Banho termostático.
3.2.4. Analisador de Gases
O analisador portátil de gases serviu para analisar a constituição do gás resultante
da digestão anaeróbia. A Figura 3.5 ilustra o analisador utilizado, da marca madur, modelo
GA-40Tplus. A sua base de funcionamento são sensores eletroquímicos e sensores
infravermelhos de gás, podendo ser equipado com nove sensores, dos quais, sete sensores
são eletroquímicos e dois são infravermelhos. Os primeiros sensores medem a concentração
de inúmeros gases, como o oxigénio (O2), óxido nítrico (NO2) e o monóxido de carbono
(CO), e os sensores infravermelhos permitem a realização de medições de metano (CH4) e
dióxido de carbono (CO2). Este instrumento também permite o cálculo da concentração de
CO2.
35
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
Figura 3.5 - Analisador de gases.
3.3. Procedimento experimental
Colocaram-se 5,3dm3 de lamas em cada um dos biodigestores, que posteriormente
foram fechados, bem como a válvula V3, indicada na Figura 3.6, para que não ocorre-se a
entrada de oxigénio no interior dos reatores. Os biodigestores foram mantidos a uma
temperatura ótima de 35ºC durante 30 dias (TRH), através do banho termostático, que
aqueceu a água até à temperatura desejada, e com o auxílio da bomba incorporada fez-se
com que a água quente escoasse pelo interior da parede dupla do biodigestor.
Para a recolha da mistura gasosa produzida, ligaram-se uma mangueira e um balão
ao orifício indicado (um balão e uma mangueira para cada digestor), servindo o balão de
reservatório. Estes balões foram fabricados em folha de alumínio, de modo a serem
impermeáveis ao gás e evitar fugas. As válvulas V1 e V2 mantinham-se abertas, para que
o biogás gerado no interior dos biodigestores subisse para os balões. Pode observar-se a
instalação do sistema de produção de biogás na Figura 3.7.
Dois dos biodigestores foram agitados e os outros dois não, todos os dias, três
vezes ao dia (10h, 14h e 18h), durante 15 minutos, exceto ao fim-de-semana (Tabela 3.2).
A agitação é feita de forma parcial pois segundo Tabatabaei et al. (2011) a agitação
contínua e de alta rotação pode reduzir significativamente a produção de biogás.
36
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
Figura 3.6 - Esquema de funcionamento do biodigestor. [Fonte: Cardoso, 2011]
Tabela 3.2 – Procedimento experimental.
Temperatura
HRT
Biodigestor 1
35ºC
30 dias
Biodigestor 2
35ºC
30 dias
Biodigestor 3
35ºC
30 dias
Biodigestor 4
35ºC
30 dias
37
Agitação
3 vezes ao dia
15min
Sem agitação
3 vezes ao dia
15min
Sem agitação
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
Figura 3.7 - Sistema experimental de digestão anaeróbia para produção de biogás em funcionamento.
3.4. Apresentação e discussão de resultados
No final dos 30 dias de retenção, analisou-se a composição do gás produzido em
cada um dos biodigestores (Tabela 3.3). Na execução de cada análise ao biogás obtido
começou-se por fechar as válvulas V1 e V2, para que o processo anaeróbio continue isolado
do meio exterior. Em seguida, tapou-se a extremidade da mangueira, que estava ligada ao
biodigestor, para reter o biogás no interior do balão. Por fim, calibrou-se o analisador de
gases, colocando-se posteriormente o equipamento de análise para obtenção da respetiva
composição.
Tabela 3.3 – Quantidade de CO2, CH4 e H2 presente no biogás produzido a 35ºC.
Gás
Com Agitação
Sem Agitação
Biodigestor 1
Biodigestor 3
Biodigestor 2
Biodigestor 4
CO2
41,88 %
50,30 %
-.
58,88 %
CH4
58,12 %
49,70 %
-
41,12 %
H2 (ppm)
-
17
-
12
Analisando a Tabela 3.3 verifica-se que os biodigestores 1 e 3 foram os que
produziram maior percentagem de metano, 58,12% e 49,70%, respetivamente. Muito
provavelmente porque eram os biodigestores que funcionavam com agitação. Tal como se
38
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
referiu no Capítulo 2, a agitação é muito importante para impedir a estratificação do
substrato (Figura 3.7 – biodigestores 2 e 4). Ao prevenir a formação duma “crosta” à
superfície, assegura que há transferência de calor para todas as partículas em suspensão no
biodigestor, o que conduz à redução gradual do tamanho das partículas ocorrendo libertação
de biogás do biodigestor para o balão (Tabatabaei et al., 2011).
Apesar de ter funcionado sem agitação, o biodigestor 4 produziu uma quantidade
de metano bastante aproximada da quantidade produzida pelos restantes biodigestores. Os
biodigestores 1 e 2 foram os primeiros a receber as lamas, e estas deveriam conter menos
quantidade de resíduos sólidos. Já que como não foi possível obter homogeneidade das
lamas, antes das mesmas terem sido colocadas nos biodigestores, provavelmente ocorreu
deposição de sólidos no fundo do recipiente. Os resíduos sólidos são a matéria orgânica
com mais potencial para a degradação biológica e consequentemente para produzir uma
maior quantidade de metano. Assim, a ausência de agitação no biodigestor 4 foi
compensada pela elevada concentração de resíduos sólidos o que conduziu a que a
produção de metano fosse semelhante à obtida pelos restantes biodigestores.
Se os resultados da Tabela 3.3 forem comparados com os obtidos por Luostarinen
et al. (2009) e Davidsson et al. (2008), Tabela 3.4, verifica-se que todas as percentagens de
metano produzidas pelos biodigestores em estudo distam em média 15% dos valores
obtidos por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). As diferenças podem
resultar da origem das lamas, que como já vimos, este fator pode influenciar a composição
da matéria orgânica. As lamas de Luostarinen et al. (2009) foram recolhidas numa ETAR
da Finlândia, que serve não só habitações mas também indústrias, já os ensaios de
Davidsson et al. (2008), realizaram-se na própria ETAR localizada em Malmo, Suécia, com
lamas provenientes da região de Malmo-Copenhaga.
Tabela 3.4 – Quantidades de metano obtidas por Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008).
Estudos
CH4 (%)
CH4 (m3/tVSadicionado)
Luostarinen et al. (2009)
62,75
385
Davidsson et al. (2008)
66,67
305
39
Capítulo 3 – Digestão anaeróbia de lamas de ETAR para produção de biogás
3.5 Conclusões
Realizaram-se quatro ensaios com lamas de ETAR à temperatura ótima de 35ºC e
com um tempo de retenção hidráulico de 30 dias. Colocaram-se as lamas em quatro
biodigestores, sendo que dois deles funcionavam com agitação e restantes sem agitação.
Verificou-se que os biodigestores que produziram a maior quantidade de matéria
orgânica foram aqueles que funcionaram com a agitação mecânica. Os biodigestores que
estavam a funcionar com a agitação produziram mais 12,79% de metano que os restantes.
Contatou-se que a homogeneidade da matéria orgânica, neste caso lamas,
condiciona a produção de metano, pois previne a deposição de resíduos sólidos, que são a
componente da matéria orgânica com mais potencial para a degradação biológica.
Finalmente, compararam-se os resultados experimentais obtidos com os de outros
autores, nomeadamente Luostarinen et al. (2009) e Davidsson et al. (2008). A quantidade
de metano produzida em média nos ensaios realizados foi de 49,65%, já Luostarinen et al.
(2009) Davidsson et al. (2008) obtiveram respetivamente 62,75% e 66,67 de metano.
Verificou-se que os valores obtidos são ligeiramente inferiores aos de Luostarinen et al.
(2009) e Davidsson et al. (2008). No entanto, esta diferença poderá ser explicada com a
origem das lamas, sendo que as utilizadas nesta dissertação foram recolhidas em Valongo,
Portugal, já as de Luostarinen et al. (2009) provêm da Finlândia, enquanto que as de
Davidsson et al. (2008) de Malmo, Suécia.
40
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Capítulo 4
Aquecimento Solar
4.1. Introdução
Atualmente há uma grande variedade de coletores solares disponíveis no mercado,
desde gamas de painéis solares planos, concentradores ou parabólicos a painéis solares com
tubos de vácuo. Assim torna-se indispensável a realização de um estudo em torno das
características dos coletores solares de modo a obter a relação qualidade/preço mais
adequada para produção eficiente de biogás.
Neste Capítulo são equacionadas cinco soluções de sistemas solares térmicos
capazes de satisfazer as necessidades energéticas da digestão anaeróbia. São abordadas três
tecnologias de coletores solares, o solar plano, o concentrador parabólico e o coletor de
tubos de vácuo. Os modelos, de cinco marcas distintas, são o coletores solar plano Premium
Sun da EnergyBand, o coletor solar plano da ENER-Q A200 da Martifer, o coletor solar
plano Premium Sun da Vulcano, o coletor solar de tubos de vácuo da ENP e o coletor solar
concentrador parabólico com tubos de vácuo SKR CPC da Logasol.
Na análise de resultados comparam-se os valores de energia solar e do défice
energético obtidos mensal e anualmente em cada um dos casos referidos anteriormente, e
consequentemente o número de painéis necessários para garantir as necessidades
energéticas da digestão anaeróbia.
Realiza-se ainda um estudo de viabilidade económica, onde são analisados os
seguintes indicadores económicos, investimento e respetivo payback, taxa interna de
rentabilidade (TIR) e valor atualizado líquido (VAL), de forma a obter a solução mais
vantajosa assegurando a rentabilidade do investimento energético.
41
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.2. Dimensionamento do sistema solar
Para um correto dimensionamento do sistema solar térmico que garanta o
aquecimento dos biodigestores, é fundamental o conhecimento das características do
sistema matéria orgânica/biodigestor (Tabela 4.1).
Tabela 4.1 – Características do sistema matéria orgânica/biodigestor.
Massa volúmica, ρ (kg/m3)
130-560
Calor específico, cp (kJ/kg.ºC)
3,664
Dimensões biodigestor: altura (m) /diâmetro (m)
5×10
Volume biodigestor, V (m3)
392,69
Uma vez que a massa volúmica dos resíduos sólidos urbanos não toma um valor
constante (Capítulo 3 - Tabela 3.1), podendo variar entre 130 e 560 kg/m3 (Russo, n.d.),
optou-se por dimensionar o sistema solar térmico para seis valores de massa volúmica
distintos compreendidos neste intervalo, são eles 130, 240, 320, 400, 480 e 560kg/m3.
4.2.1. Energia útil – apresentação e discussão de resultados
Para o dimensionamento do sistema solar térmico é essencial calcular a energia
útil necessária para aquecer a mistura de resíduos e água contida no biodigestor. Esta
energia irá assumir diferentes valores de acordo com a temperatura ótima de funcionamento
do biodigestor e da massa volúmica da matéria orgânica. Assim, foram determinadas três
valores de energia útil (Eútil), uma para cada temperatura ótima, 30ºC, 35ºC e 40ºC para
cada valor de massa volúmica através da Equação (4.1):
Eútil = ρ × V × cp × (Tótima - Tágua rede )
(4.1)
onde ρ é a massa volúmica da mistura (kg/m3), V é o volume de mistura (m3), cp é o calor
específico da mistura (kJ/kg.ºC), Tótima é a temperatura ótima de funcionamento do processo
de digestão anaeróbia e Tágua rede é a temperatura da água da rede (Tabela 4.3).
Para o cálculo da energia útil, considerou-se que a água provinha sempre da rede,
no entanto esta existe no sistema em recirculação, mas para compensar possíveis oscilações
42
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
de temperatura optou-se pelo dimensionamento do sistema solar térmico para este intervalo
de temperaturas.
Os valores de energia útil determinados encontram-se esquematizados na Figura
4.1.
350000
T30⁰C
Eútil [MJ/ano]
300000
T35⁰C
250000
T40⁰C
200000
150000
100000
50000
0
130
240
320
ρ
400
480
560
[kg/m3]
Figura 4.1 - Evolução da energia útil anual em função da massa específica da matéria orgânica e da
temperatura ótima.
Analisando a Figura 4.1 conclui-se que com o aumento da massa volúmica da
matéria orgânica há um crescimento das necessidades de energia útil anual. Comparando
os valores de energia útil para 140kg/m3 e para 560kg/m3 verifica-se um aumento das
necessidades energéticas de cerca de 30%. Fazendo uma análise da evolução da energia útil
mas agora em função da temperatura ótima, observa-se que para temperaturas mais
elevadas a energia útil anual apresenta um valor superior em relação ao mesmo mas para
temperaturas mais baixas, em alguns casos esta diferença é tão acentuada que representa
66,7 %.
Os resultados obtidos parecem aceitáveis, pois era espectável que as necessidades
energéticas anuais (energia útil) aumentassem quer com o aumento da temperatura ótima
quer com o aumento da massa volúmica da matéria orgânica, já que há uma relação de
proporcionalidade entre cada uma das grandezas, tal como é descrito na Equação 4.1.
43
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Depois de obtida a potência útil, calcularam-se as necessidades energéticas
mensais – carga térmica (ECT), através da Equação 4.2.
ECT = Eútil × ND [MJ/mês]
(4.2)
onde, ND é o número de dias de cada mês.
4.2.2. Avaliação da radiação incidente para o concelho de Vila Real
O método f-chart permite estimar a quantidade de energia que o sol fornece
comparativamente com a necessidade energética do processo de digestão anaeróbia, sendo
imperativo conhecer a disponibilidade da radiação solar para o concelho de Vila Real,
apresentada na Figura 4.2 e na Tabela 4.2. A radiação incidente para um ângulo ótimo de
inclinação de 34º para o concelho de Vila Real, foi obtida através do programa SolTerm.
Figura 4.2 - Gráfico representativo da radiação incidente em função do tempo em Vila Real.
[Fonte: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radday.php]
Na Tabela 4.2, apresenta-se a radiação global incidente, a temperatura ambiente e
a temperatura da água da rede médias de cada mês para o concelho de Vila Real.
44
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.2 – Radiação solar média, temperatura ambiente média e os dias de cada mês, referentes ao
concelho de Vila Real.
Meses
Jan
Fev
Mar
Abr
Maio
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Ano
1,6
2,5
3,5
4,8
5,8
6,5
6,8
6,1
4,4
3,1
2
1,5
4,05
6,9
7,9
10,1
12,3
15,6
19,2 21,8 21,5
19,1
14,8
9,8
7
13,8
10
11
12
13
15
17
18
18
16
14
12
10
13,83
31
28
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
365
Radiação
Global
Incidente
(kWh/m²)
Temp.
Ambiente
Média (ºC)
Temp.
Água da
Rede
Média (ºC)
Dias do
mês
(ND)
É necessário corrigir a radiação global incidente devido à instalação se encontrar
numa zona urbana, sujeita a efeitos de poluição. Assim, esta será multiplicada por 0,95
(fator de correção aplicado nestas situações), Tabela 4.3.
A energia incidente (MJ/m2/dia), foi obtida através da Equação 4.3:
Eincidente = 0,95 × k × H
(4.3)
onde k é o coeficiente de correção de inclinação do coletor, determinado em função da
latitude do local e o ângulo ótimo de inclinação do coletor (Anexo I) e H é a radiação
global incidente corrigida.
45
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.3 – Valores da radiação global incidente corrigida (H), coeficiente de correção de inclinação (k) e
da energia incidente dia por m2.
Meses
Jan
Fev
Mar
Abr
Maio
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov Dez
Radiação
Incidente
Corrigida
5,47 8,55 11,97 16,42 19,84 22,23 23,26 20,86 15,05 10,60 6,84 5,13
(MJ/m²/dia)
Coef. de
Correcção
de
1,38 1,29
1,18
1,07
0,99
0,96
0,99
1,08
1,22
1,38 1,49 1,47
Inclinação
Energia
Incidente
7,10 10,37 13,28 16,51 18,46 20,06 21,64 21,18 17,26 13,75 9,58 7,09
(MJ/m /dia)
2
4.2.3. Apresentação dos coletores solares em estudo
Utilizaram-se cinco coletores solares, todos eles certificados pela norma europeia
EN 12975 e com selo de qualidade europeu Solar Keymark. Na Tabela 4.4 são apresentadas
as caraterísticas de cada coletor, entre elas, o rendimento ótico (ηo), os coeficientes de
perdas térmicas (a1, a2) e a área útil de absorção (A).
Tabela 4.4 – Características de cada coletor solar em estudo.
Coletor solar
Marca
Tecnologia
ηo
a1 (W/m2 ⁰C)
a2 (W/m2 ⁰C2)
A (m2)
ENY PREMIUM
EnergyBand
Solar Plano
0,751
4,9999
0,0000
2,190
ENER-Q A200
Martifer
Solar Plano
0,744
4,1620
0,0140
2,050
PREMIUM SUN
FKT-1s
Vulcano
Solar Plano
0,811
3,6530
0,0146
2,230
SKR
Logasol
Tubos de
vácuo CPC(1)
0,770
0,7490
0,0050
2,570
ENP
ENP
Tubos de
vácuo
0,734
1,5424
0,0166
1,972
(1)
Combound Parabolic Concentrator
O cálculo do rendimento do coletor para cada mês, é dado pela Equação 4.4:
46
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tfluido - Tambiente
(Tfluido - Tambiente )
ηcoletor = ηo - a1
- a2
I
I
2
(4.4)
onde o é o rendimento ótico do painel, a1 e a 2 são os coeficiente de perdas térmicas,
respetivamente, em W/m2.ºC e W/m2.ºC2, Tfluido é a temperatura ótima do fluido (30ºC, 35
ºC ou 40 ºC), Tambiente é a temperatura ambiente média de cada mês em ºC e I é a radiação
incidente em W/m2.
De seguida, calculou-se a energia captada (Ecaptada) por mês por m2 de coletor,
recorrendo à Equação 4.5:
(4.5)
Ecaptada = Energia incidente × ηcoletor × ND
A área total de coletores solares obtém-se recorrendo à Equação 4.6:
área de coletores =
ECT anual
Ecaptada anual
[m2]
(4.6)
onde ECT é carga térmica anual e Ecaptada anual é a quantidade de energia captada (determinada
através da Equação 4.5) anualmente.
Na Tabela 4.5 encontram-se as áreas de coletor determinadas em função da
temperatura ótima de funcionamento e da massa volúmica da matéria orgânica.
47
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.5 – Apresentação das áreas de coletor (m2) em função da temperatura ótima e da massa volúmica.
Massa
volúmica
(kg/m3)
Energyband
Martifer
Vulcano
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
130
7,09
9,53
12,03
7,11
9,54
12,00
6,49
8,70
10,92
7,09
9,47
11,85
6,73
8,99
11,24
240
13,08
17,60
22,20
13,12
17,61
22,15
11,98
16,05
20,17
13,09
17,48
21,87
12,43
16,59
20,75
320
17,44
23,47
29,60
17,49
23,48
29,54
15,97
21,40
26,89
17,45
23,30
29,17
16,57
22,12
27,67
400
21,80
29,33
37,01
21,87
29,35
36,92
19,96
26,75
33,61
21,81
29,13
36,46
20,72
27,65
34,59
480
26,16
35,20
44,41
26,24
35,22
44,31
23,96
32,11
40,33
26,17
34,95
43,75
24,86
33,18
41,51
560
30,52
41,07
51,81
30,61
41,09
51,69
27,95
37,46
47,05
30,54
40,78
51,04
29,00
38,71
48,43
48
ENP
Logasol
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.2.4. Análise da energia solar captada em função da massa volúmica da matéria
orgânica e da temperatura ótima do processo de digestão
A energia solar ao longo do ano, Esolar, é calculada multiplicando a energia
captada (Ecaptada, Equação 4.5) pela área total de coletores (Equação 4.6):
Esolar = Ecaptada × área de coletores
[MJ]
(4.6)
Nas Figuras 4.3 e 4.4, encontram-se os resultados relativos à energia solar, Esolar,
obtidos para o mês de dezembro e julho, respetivamente, calculados para a temperatura
ótima de funcionamento de 40ºC. A escolha do mês de dezembro deve-se ao facto de este
ser o mês mais desfavorável para a obtenção de energia solar. Quanto ao mês de julho, é
precisamente pelo motivo oposto, estamos perante a situação mais favorável, pois é neste
mês que radiação solar incidente é mais elevada (Tabela 4.4).
Observando a Figura 4.3, verifica-se que o coletor solar que apresenta a melhor
curva energética é o da Logasol, ou seja, este coletor é o que capta mais energia solar
durante o mês de dezembro, tanto para valores de massa volúmica de matéria orgânica
mais reduzidos, como para valores mais elevados. O coletor que apresenta o pior
desempenho é o coletor da EnergyBand. Este coletor capta menos 10,5% de energia solar
que o coletor da Logasol. Os coletores da Martifer, Vulcano e ENP captam,
respetivamente, 3%, 5% e 9,5%, mais energia solar que o coletor da EnergyBand.
Em relação ao mês de julho (Figura 4.4), o coletor que teve o melhor
desempenho energético foi o da EnergyBand, captando mais 2,7% de energia solar que o
coletor da Logasol. Relativamente aos coletores da Martifer, Vulcano e ENP, estes
apresentam um défice energético de 0,8%, 1,3% e 2,4%, respetivamente, quando
comparados com o coletor da EnergyBand.
É ainda de referir que, as diferenças percentuais apresentadas, nos parágrafos
anteriores, se mantêm constantes com o aumento de massa volúmica de matéria orgânica.
Assim sendo, conclui-se que o desempenho energético dos coletores solares em estudo,
não se altera com a variação das necessidades energéticas que dependem da massa
volúmica da matéria orgânica.
49
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
9000
EnergyBand
Esolar [MJ]
8000
Martifer
7000
Vulcano
6000
ENP
Logasol
5000
4000
3000
2000
1000
0
130
240
320
400
480
560
ρ [kg/m3]
Figura 4.3 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de dezembro para os coletores
da EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC.
28000
EnergyBand
24500
Martifer
21000
Vulcano
ENP
Esolar [MJ]
17500
Logasol
14000
10500
7000
3500
0
130
240
320
400
480
560
ρ [kg/m3]
Figura 4.4 – Comparação dos valores de energia solar obtidos durante o mês de julho para os coletores da
EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol, para a temperatura ótima de 40ºC.
Das Figuras 4.3 e 4.4, conclui-se que para o mês de dezembro, o coletor da
Logasol foi o coletor com o melhor desempenho energético, enquanto que, para o mês de
julho, o coletor que captou uma maior quantidade de energia solar foi o coletor da
EnergyBrand. Isto deve-se, provavelmente, ao facto do coletor da Logasol ser o mais
seletivo de todos os coletores estudados, com um rendimento ótico bastante elevado e
com os coeficiente de perdas térmicas mais reduzidos (consultar a Tabela 3.5), o que leva
50
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
a que o coletor da Logasol consiga aproveitar uma maior quantidade de energia solar em
situações mais desfavoráveis (por exemplo, durante o inverno).
Depois de analisada influência da variação da massa volúmica no desempenho
energético dos coletores solares, optou-se então por avaliar a influência da temperatura
ótima na obtenção de energia solar para cada um dos cinco coletores solares em estudo.
Na Figura 4.5, encontram-se os resultados relativos à energia solar, Qsolar,
obtidos para as diferentes temperaturas ótimas de funcionamento, calculados para uma
massa volúmica de matéria orgânica de 560kg/m 3. Das Figura 4.5 constata-se que os
coletores solares em estudo descrevem uma curva energética anual com comportamento
bastante semelhante.
No entanto, verifica-se a existência de pequenas variações nas curvas de cada
coletor. Estas são mais evidentes para a temperatura de 40ºC, tendo a sua acentuação
durante os meses de Inverno, mais propriamente nos meses de dezembro e janeiro. Por
exemplo, para o mês de dezembro a diferença de desempenho do coletor solar da Vulcano
e da Martifer quando comparados com o da EnergyBand, é de cerca de 5% e 3%,
respetivamente. No mês de janeiro, a energia solar captada pelo coletor da Vulcano e da
Martifer foi 4,5% e 2,8%, respetivamente, superior à da captada pelo coletor EnergyBand.
Para os meses de verão a diferença de desempenho entre coletores é praticamente
desprezável (inferior a 1%).
Comparando agora as curvas energéticas do coletor solar EnergyBand com os
coletores solares ENP e Logasol, verifica-se que tal como acontecia anteriormente, o
comportamento dos coletores é bastante semelhante durante praticamente todo o ano.
Contudo, para os meses de inverno (novembro, dezembro e janeiro), principalmente para
a temperatura ótima de 40ºC, há variações bastante significativas no desempenho
energético dos coletores. Durante o mês de novembro, o coletor que captou mais energia
solar foi o da Logasol, captando 5,3% a mais de energia solar que o da EnergyBand,
seguido do coletor da ENP com 4,8%. Para o mês de dezembro, a diferença de energia
solar captada pelo coletor solar da Logasol e da ENP, quando comparados com o coletor
da EnergyBand, é de 10,4% e de 9,5%, respetivamente. Mais uma vez para o mês de
janeiro, o coletor que captou maior quantidade de energia solar foi o da Logasol, com um
51
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
desempenho 9,4% superior relativamente ao coletor da EnergyBand. Seguido do coletor
da ENP, com 8,6% a mais de energia solar captada em relação ao coletor da EnergyBand.
Para os meses de verão o coletor que apresenta o melhor desempenho energético é o
coletor da EnergyBand, no entanto, a diferença entre este e os coletores da Logasol e da
ENP não é significativa (cerca de 2%).
27000
EnergyBand
Martifer
Vulcano
ENP
Logasol
T30ºC
T35ºC
T40ºC
24000
Esolar [MJ]
21000
18000
15000
12000
9000
6000
3000
0
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Figura 4.5 – Comparação dos valores de energia solar obtidos ao longo do ano para os coletores da
EnergyBand, Martifer, Vulcano, ENP e Logasol para cada temperatura ótima de
funcionamento, considerando uma massa volúmica de 560kg/m3.
Na Tabela 4.6, encontra-se a comparação percentual entre a energia solar captada
(Esolar) pelos coletores da Marifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada
pelo coletor da EnergyBand, para as temperaturas ótimas de 30ºC e 35ºC. Verifica-se que
o coletor da Logasol continua a ter o melhor desempenho energético durante os meses de
inverno, o mesmo não acontece durante os meses de verão, destacando-se o coletor da
EnergyBand.
52
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.6 – Comparação percentual entre a energia solar captada (Esolar) pelos coletores da Martifer, da
Vulcano, da ENP e da Logasol em relação à captada pelo coletor EnergyBand, para as
temperaturas ótimas de 35 e 40ºC.
Coletores
Jul
Ago
Dez
Jan
30ºC
35ºC
30ºC
35ºC
30ºC
35ºC
30ºC
35ºC
Martifer
-0,5%
-0,6%
-0,5%
-0,6%
1,9%
2,5%
1,8%
2,3%
Vulcano
-0,8%
-1,0%
-0,8%
-0,9%
3,2%
4,1%
2,9%
3,7%
ENP
-1,7%
-2,0%
-1,6%
-1,9%
6,3%
7,8%
5,7%
7,1%
Logasol
-1,9%
-2,3%
-1,8%
-2,1%
7,1%
8,7%
6,5%
7,9%
Conclui-se que, quanto mais elevada é a temperatura ótima, maior é a diferença
de desempenho energético dos coletores. Assim, por exemplo, para a temperatura de 40ºC
o coletor da Logasol apresenta diferenças de energia solar captada em relação ao coletor
da EnergyBand, nos durante os meses de inverno, na ordem dos 9,5%, enquanto que, para
a temperatura ótima de 30ºC esta diferença cai para os 6,5%.
Resumindo, o coletor que apresenta o melhor desempenho energético, durante
os meses de inverno, para todas as temperaturas ótimas é o coletor da Logasol. Já durante
os meses de verão, o coletor que apresenta uma curva energética mais favorável é o
coletor da Energyband. Contudo, o coletor da Logasol parece ser a opção mais acertada,
pois consegue assegurar as necessidades energéticas do processo de digestão anaeróbia
durante o verão, rentabilizando ao máximo o aproveitamento de energia solar no inverno.
53
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.2.5. Fração solar
Na Tabela 4.7 encontra-se um quadro resumo dos valores de energia solar
obtidos anteriormente (Esolar), bem como, das necessidades energéticas anuais (ECT)
Tabela 4.7 – Valores da carga térmica (ECT) e da energia fornecida pelo sol (Esolar), em MJ/ano.
30ºC
Massa volúmica (ρ)
35ºC
40ºC
ECT
Esolar
ECT
Esolar
ECT
Esolar
130
42669,90
27735,43
56893,20
36980,570
71116,50 46225,72
240
78775,20
51203,87
105033,6
68271,830
131292,0 85339,78
320
105033,6
68271,83
140044,8
91029,100
175056,0 113786,38
400
131292,0
85339,78
175056,0
113786,38
218820,0 142232,97
480
157550,4
102407,74
210067,2
136543,65
262583,9 170679,57
560
183808,8
119475,70
245078,4
159300,93
306347,9 199126,16
Observando a Tabela 4.7, verifica-se que a energia captada pelo sistema solar,
não é suficiente para assegurar na totalidade as necessidades energéticas do processo de
digestão anaeróbia. Este défice energético é compensado pelo sistema auxiliar, que será
explorado no Capítulo 5.
A aplicação do método f-chart conduz à obtenção da fração solar f, que
representa a relação entre a energia fornecida pelo sol, Esolar (nos coletores), e a energia
necessária, ECT (carga térmica, Equação 4.2):
f=
Esolar
ECT
(4.7)
Através da Equação 4.7 pode ser calculada a fração solar média mensal e por
conseguinte a avaliar se as necessidades energéticas são asseguradas (Figura 4.6). Para os
meses de verão, a fração solar obtida aproxima-se dos 100%, para o mês de junho é cerca
de 90%, no mês de julho atinge os 97% e em agosto 95%. Durante os meses de verão, a
necessidade de um sistema auxiliar é particamente nula, pois é nesta estação que a
radiação solar é mais intensa (Tabela 4.4) daí a fração solar ser tão elevada. Para o
54
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
inverno, a fração solar cai para os 30% em dezembro e janeiro, e em fevereiro é cerca de
50%. Ou seja, nos meses de dezembro e janeiro, só se garantem 30% das necessidades
energéticas, e em fevereiro 50%. É nesta estação que é essencial a presença do sistema
auxiliar (Capítulo 5).
1,2
1,0
Fração Solar
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
T30ºC 30,19% 45,05% 58,38% 73,15% 82,14% 89,54% 96,77% 94,63% 76,79% 60,64% 41,42% 30,05%
T35ºC 30,00% 44,95% 58,36% 73,22% 82,27% 89,71% 96,96% 94,78% 76,82% 60,57% 41,25% 29,83%
T40ºC 29,81% 44,85% 58,35% 73,30% 82,40% 89,87% 97,14% 94,94% 76,86% 60,50% 41,08% 29,62%
Figura 4.6 – Evolução da fração solar média ao longo do ano em função da temperatura ótima.
4.2.6. Cálculo da quantidade de coletores para funcionamento do sistema solar
Para o cálculo do número de coletores necessários na instalação do sistema solar
basta dividir a área total de coletores (Tabela 4.5) pela área útil do coletor (parâmetro A
da Tabela 4.4). A Tabela 4.9 fornece, então, o número de coletores necessários para que
sistema solar possa funcionar.
Analisando a Tabela 4.8 é fácil concluir que a instalação solar que requer menor
número de coletores solares é a que utiliza coletores da Logasol. Ora, esta nova ilação
aliada às conclusões apresentadas anteriormente, de que o coletor da Logasol é a solução
mais vantajosa para rentabilizar o aproveitamento da energia solar ao longo de todo o
ano, leva-nos a crer que o coletor da Logasol, muito provavelmente será a solução mais
vantajosa quer energeticamente, quer economicamente, devido ao número reduzido de
painéis solares necessários. No entanto, como não é possível afirmar com exatidão se o
coletor da Logasol é ou não a melhor opção, torna-se indispensável a realização de um
estudo de viabilidade económica.
55
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.8 – Número de coletores solares necessários ao funcionamento dos sistema solar.
Massa
volúmica
(kg/m3)
Energyband
Martifer
Vulcano
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
130
4
5
6
4
5
6
3
4
5
4
5
7
3
4
5
240
6
9
11
7
9
11
6
8
10
7
9
12
5
7
9
320
8
11
14
9
12
15
8
10
13
9
12
15
7
9
11
400
10
14
17
11
15
19
9
12
16
12
15
19
9
11
14
480
12
17
21
13
18
22
11
15
19
14
18
23
10
13
17
560
14
19
24
15
21
26
13
17
22
16
21
26
12
16
19
56
ENP
Logasol
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.3. Viabilidade económica
Uma das formas de avaliar, do ponto de vista económico, os benefícios obtidos
com a aquisição de um sistema solar é o tempo de retorno do investimento, isto é, a razão
entre o custo do sistema (investimento inicial) e as poupanças médias anuais esperadas.
Estas são calculadas considerando que a fatura de energia convencional (neste caso, gás
natural) é reduzida anualmente num valor médio equivalente à energia fornecida pelo
sistema solar.
Para o estudo de viabilidade é necessário avaliar os custos dos equipamentos do
projeto, tendo em conta as condições que o local propicia para uma rentabilização dos
mesmos, de modo a obter um período de amortização o mais baixo possível. Para o
cálculo do investimento contabilizou-se o custo dos equipamentos da sua manutenção e
da sua instalação. Na Figuras 4.7 são comparados os custos de investimento, em euros,
dos cinco sistemas solares térmicos em estudo. O cálculo do custo dos equipamentos foi
baseado nas tabelas disponibilizadas pelo governo (Painéis Solares, 2013).
Analisando a Figura 4.7, verifica-se que à medida que nos aproximamos de
valores de massa volúmica mais elevados, maior é o investimento. Pois como concluímos
anteriormente, as necessidades energéticas são maiores quanto maior for o valor da massa
volúmica da matéria orgânica (ver Figura 4.1), e por conseguinte o número de painéis
aumenta, aumentando o investimento. O mesmo se pode concluir em relação à
temperatura ótima, assim, quanto maior é a temperatura ótima maior é o investimento.
Da Figura 4.7, conclui-se que o sistema solar térmico que apresenta o
investimento mais reduzido é o da Vulcano, com uma diferença média de 30% em relação
ao da Energyband. Por outro lado, o sistema solar mais dispendioso é o da Logasol,
representando um investimento médio 30% superior ao da EnergyBand.
57
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
40 000
T30 EnergyBand
T35 EnergyBand
T40 EnergyBand
T30 Martifer
T35 Martifer
T40 Martifer
T30 Vulcano
T35 Vulcano
T40 Vulcano
T30 ENP
T35 ENP
T40 ENP
T30 Logasol
T35 Logasol
T40 Logasol
35 000
Investimento [€]
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
0
130
240
320
400
480
560
ρ [kg/m3]
Figura 4.7 – Comparação do investimento, em euros, dos sistemas solares térmicos da EnergyBand, da
Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol.
Na Tabela 4.11 temos os valores de poupança anual para a substituição
convencional a gás natural proveniente do próprio processo de digestão anaeróbia. Para
determinar a poupança anual, em euros, multiplicou-se a energia solar anual captada
(Tabela 4.7) pelo preço do gás natural (Tabela 4.10). Para o cálculo do preço do gás
natural, determinou-se o consumo específico (Tabela 4.9), ou seja, o volume de gás
natural consumido por mês (Tabela 4.10).
Tabela 4.9 – Consumo específico de gás natural, em m3 por mês.
Massa volúmica (ρ)
30ºC
35ºC
40ºC
130kg/m3
60,98
81,31
101,64
240kg/m3
112,59
150,11
187,64
320kg/m3
150,11
200,15
250,19
400kg/m3
187,64
250,19
312,74
480kg/m3
225,17
300,23
375,28
560kg/m3
262,70
350,27
437,83
58
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.10 – Escalões de consumo de gás natural definidos pela ERSE (1) e respetivo preço (2).
(Fonte: ERSE)
(1)
(2)
Escalão de consumo
Consumo específico
Preço gás natural (€/kWh)
Escalão 1
0 - 220 m3
0,0741
Escalão 2
221 - 500 m3
0,0700
Escalão 3
501 - 1000m3
0,0658
Escalão 4
1001- 10000m3
0,0650
Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos
Preço médio praticado pelas distribuidoras em Vila Real
Tabela 4.11 – Poupança anual, em euros, em relação à solução convencional a gás natural.
Massa volúmica (ρ)
30ºC
35ºC
40ºC
130kg/m3
570,89 €
761,18 €
951,48 €
240kg/m3
1.053,95 €
1.405,26 €
1.756,58 €
320kg/m3
1.405,26 €
1.873,68 €
2.212,51 €
400kg/m3
1.756,58 €
2.212,51 €
2.765,64 €
480kg/m3
1.991,26 €
2.655,02 €
3.318,77 €
560kg/m3
2.323,14 €
3.097,52 €
3.871,90 €
O payback simples (Equação 4.8) relaciona o investimento com a poupança,
calculando o tempo necessário para obter o retorno do capital investido.
payback simples =
investimento
poupança
(4.8)
Na Figura 4.8 encontra-se o payback simples obtido para cada uma das
instalações solares térmicas estudadas. Analisando a evolução do payback em função da
massa volúmica, verifica-se que na maioria dos casos, para valores de massa volúmica
mais elevados obtêm-se payback’s mais reduzidos. Recorde-se que quanto maior é o valor
de massa volúmica, maiores são as necessidades energéticas, mas maior seria também a
fatura energética de gás natural, assim, apesar do investimento ser superior a poupança
resultante acaba por compensar, reduzindo significativamente o tempo de retorno
(payback). O mesmo se pode concluir para a temperatura ótima, ou seja, quanto maior a
temperatura ótima menor é o tempo de payback.
59
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Dos sistemas solares térmicos analisados, na Figuras 4.8, o que apresenta o
payback mais rápido é o da Vulcano. Ao optar pelo sistema solar da Vulcano, em
detrimento do da Energyband ou da Martifer, obtêm-se reduções no tempo de payback de
2,5 e 2,9 anos, respetivamente. Quando comparado com os restantes sistemas solares, as
reduções do tempo de payback são ainda mais atrativas, com ganhos de 3,8 anos em
relação ao da ENP e de 4,7 anos em relação ao da Logasol.
14
T30 EnergyBand
T35 EnergyBand
12
T40 EnergyBand
T30 Martifer
T35 Martifer
payback [anos]
10
T40 Martifer
T30 Vulcano
8
T35 Vulcano
T40 Vulcano
6
T30 ENP
T35 ENP
4
T40 ENP
T30 Logasol
2
T35 Logasol
T40 Logasol
0
130
240
320
400
ρ [kg/m3]
480
560
Figura 4.8 – Comparação do payback simples obtido para os sistemas solares térmicos da Energyband, da
Martifer, da Vulcano, da ENP e da Logasol.
No entanto, o cálculo do payback não tem em conta a atualização de valores,
para isso é necessário calcular o valor atualizado líquido (VAL), do projeto (Equação
4.9). Este indicador avalia o lucro atualizado no ano de referência (Borges, 2009).
(1 + a)n-1
VAL (2%) = - Investimento + Poupança × [
]
a × (1 × a)n
(4.9)
onde a é a taxa de atualização – taxa de juro de mercado (p.ex) e n é o tempo de vida em
anos.
Além do VAL, é ainda necessário calcular outro indicador económico, a taxa
interna de rentabilidade (TIR). Este indicador permite-nos determinar a taxa que o
investidor obtém em média em cada ano sobre os capitais que se mantêm investidos no
projeto, enquanto o investimento inicial é recuperado progressivamente (Borges, 2009).
60
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Os resultados de VAL e respetivo TIR, obtidos para cada um dos cinco sistemas
solares térmicos analisados, constam nas Tabela 4.12 e 4.13.
Mais uma vez o sistema solar térmico que se destaca é o da Vulcano, com um
VAL médio de 88 289,58 € e uma TIR de 17,19%, ou seja, optando por este fabricante
de coletores solares o investimento é recuperado num curto espaço de tempo, 5 anos, é
valorizado a uma taxa de 17,19% e no fim do tempo de vida útil do equipamento (20
anos) é ainda gerado um excedente de 88 289,58 €. O excedente monetário gerado no fim
do tempo de vida útil do sistema solar térmico é mais do que suficiente para a aquisição
de novos equipamentos.
61
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Tabela 4.12 – VAL, em euros, obtido para cada sistema solar térmico analisado.
Massa
volúmica
(kg/m3)
Energyband
Martifer
Vulcano
ENP
Logasol
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
130
22 240
30 525
38 810
22 240
30 525
38 810
24 537
33 099
41 662
22 309
30 430
37 343
21 244
28 866
36 488
240
43 833
57 926
73 062
42 790
57 926
73 062
45 918
61 608
77 297
42 366
57 173
70 771
41 511
55 319
69 128
320
58 969
78 802
92 283
57 926
77 759
91 240
61 608
83 037
97 348
57 173
76 512
89 499
55 319
74 869
88 066
400
74 104
92 283
116 268
73 062
91 240
114 183
78 063
98 114
122 164
70 771
89 499
111 783
69 128
88 066
110 061
480
83 523
110 845
139 211
82 480
109 803
138 168
88 035
117 507
146 980
79 861
107 568
134 067
78 926
106 344
132 056
560
97 706
130 451
163 197
96 663
128 365
161 111
102 771
137 667
171 796
93 714
125 636
157 559
91 782
122 917
155 758
Tabela 4.13 – TIR, em percentagem, obtida para cada sistema solar térmico analisado.
Massa
volúmica
(kg/m3)
Energyband
Martifer
Vulcano
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
30ºC
35ºC
40ºC
130
9,11%
10,18%
10,95%
9,11%
10,18%
10,95%
14,47%
15,62%
16,41%
9,21%
10,05%
9,36%
7,85%
8,32%
8,63%
240
12,02%
11,50%
12,02%
10,73%
11,50%
12,02%
15,84%
16,56%
17,04%
10,28%
10,83%
10,38%
9,48%
9,46%
9,45%
320
12,59%
12,74%
12,19%
11,50%
11,89%
11,52%
16,56%
18,02%
17,02%
10,83%
11,01%
10,56%
9,46%
10,03%
9,88%
400
12,96%
12,19%
12,71%
12,02%
11,52%
11,59%
18,44%
18,11%
17,55%
10,38%
10,56%
10,52%
9,45%
9,88%
9,87%
480
12,56%
12,25%
12,56%
11,77%
11,68%
12,08%
17,67%
17,83%
17,92%
10,18%
10,63%
10,50%
9,71%
10,13%
9,86%
560
12,74%
12,84%
12,89%
12,04%
11,80%
12,05%
17,76%
18,45%
18,20%
10,43%
10,68%
10,84%
9,59%
9,76%
10,31%
62
ENP
Logasol
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.4. Impacte Ambiental
A energia, durante o seu processo de conversão/utilização, contribui com cerca
de 2/3 do total das emissões de gases de efeito de estufa em Portugal. A energia está
repartida pelos vários sectores de atividade, nomeadamente a indústria, os edifícios
(residenciais e de serviços) e os transportes e torna-se necessário estabelecer medidas de
atuação, de âmbito sectorial, que conduzam ao estabelecimento de "quotas" de emissões
por sector.
Um dos objetivos políticos e estratégicos da União Europeia é o que conduz a
uma sociedade europeia “Low Carbon” (baixo carbono). Este objetivo significa que, para
além da dimensão do conhecimento e da dimensão social, na competitividade económica
será integrada a dimensão do desempenho energético-ambiental.
Uma das muitas vantagens da instalação de um sistema solar térmico é
exatamente a redução da emissão de gases para a atmosfera, como o dióxido de carbono
(CO2) e o metano (CH4), responsáveis pelo efeito de estufa. Sendo o CO2, o mais
representativo de entre os gases que contribuem para o aquecimento global, este resulta
essencialmente da queima de combustíveis fósseis. A Equação 4.10 representa a
combustão do metano (CH4). O metano combinado com o oxigênio, forma na sua
combustão água e dióxido de carbono.
(4.10)
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2 O
Com recurso à Equação 4.10 conhecem-se o número de moles de cada elemento
presente na reação química e com estes valores determinaram-se as quantidades em
gramas de cada elemento que constam na Tabela 4.14.
Tabela 4.14 – Quantidades, em gramas, de CH4 e CO2.
Elemento Químico
Massa atómica
CH4
16,14 g/mol
CO2
44,01g/mol
63
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
Relacionando as quantidades de CH4 e CO2 da Tabela 4.14 com a estequiometria
da Equação 4.10, conclui-se que para cada quilograma de metano queimado são libertados
para a atmosfera 2,73 quilogramas de dióxido de carbono.
Conhecendo o PCI do metano, 37900 kJ/kg, podemos calcular a quantidade de
dióxido de carbono que seria libertada para a atmosfera durante a combustão do metano
pelo método tradicional (caldeira a biogás) e com o sistema solar térmico (Tabela 4.15).
Tabela 4.15 – Quantidade de CO2, em kg por ano, libertada para a atmosfera com o sistema tradicional e
com o sistema solar térmico.
Quantidade de CO2 libertada (kg/ano)
Massa volúmica
[kg/m ]
3
30ºC
35ºC
40ºC
Sistema
Sistema
Sistema
Sistema
Sistema
Sistema
Tradicional
Solar
Tradicional
Solar
Tradicional
Solar
130kg/m3
3074
1076
4098
1434
5123
1793
240kg/m3
5674
1986
7566
2648
9457
3310
320kg/m3
7566
2648
10088
3531
12610
4414
400kg/m3
9457
3310
12610
4414
15762
5517
480kg/m3
11349
3972
15131
5296
18914
6620
560kg/m3
13240
4634
17653
6178
22067
7724
A energia solar é uma fonte limpa e renovável, sem emissões de gases de efeito
de estufa. As quantidades de dióxido de carbono referentes ao sistema solar que constam
na Tabela 4.15, correspondem às necessidades energéticas que este não consegue
assegurar, ou seja à parcela energética que é garantida pelo sistema auxiliar. Se o sistema
auxiliar (Capítulo 5) for um sistema que funcione com energia de uma fonte não poluente,
como a energia geotérmica, a quantidade de CO2 libertada para a atmosfera pode ser
significativamente reduzida ou mesmo eliminada.
Com a implementação do sistema solar térmico há uma redução de 65% na
emissão de gases de efeito de estufa (CO2) em relação ao sistema convencional a gás
natural.
64
Capítulo 4 – Aquecimento Solar
4.5. Conclusões
Conclui-se que as diferenças percentuais no desempenho energético dos
coletores solares em estudo, não se alteram com a variação da massa volúmica da matéria
orgânica.
O mesmo não acontece quando se avalia a temperatura ótima. Assim, verificouse que, quanto mais elevada é a temperatura ótima, maior é a diferença no desempenho
energético dos coletores. O coletor que apresenta o melhor desempenho energético,
durante os meses de inverno, para todas as temperaturas ótimas é o coletor da Logasol. Já
durante os meses de verão, o coletor que apresenta uma curva energética mais favorável
é o coletor da EnergyBand.
De forma a determinar qual dos coletores em estudo, seria a opção mais eficiente
para assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia independentemente da
temperatura ótima de funcionamento a que esta ocorresse, realizou-se um estudo de
viabilidade económica.
Todas as soluções solares térmicas analisadas constituem uma opção
economicamente atrativa, pois em todos os casos o investimento é recuperado na
totalidade num curto espaço de tempo, sendo ainda gerado um excedente no final do
tempo de vida útil dos equipamentos. No entanto, o sistema solar térmico mais viável e
para o qual o retorno do investimento é recuperado mais rapidamente é o da Vulcano.
Com a implementação do sistema solar térmico evita-se o envio de cerca de 7
toneladas de CO2 para a atmosfera, o que contribui decisivamente para a atenuação do
efeito atmosférico de estufa e para o cumprimento do Protocolo de Quioto.
65
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Capítulo 5
Aquecimento Geotérmico
5.1. Introdução
Neste Capítulo é apresentada a geotermia como fonte de energia auxiliar ao
sistema solar térmico e como solução alternativa no aquecimento dos biodigestores para
produção de biogás. Ao dimensionar o sistema geotérmico, o sistema auxiliar fica
automaticamente dimensionado, uma vez que para dimensionar o sistema geotérmico é
necessário assegurar as necessidades de aquecimento para a produção de biogás ao longo
de todo o ano, o que corresponde precisamente à situação mais desfavorável, ou seja aquela
que seria totalmente suportada pelo sistema auxiliar.
São equacionados dois tipos de soluções para o aquecimento geotérmico, a
utilização de um sistema Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs) horizontal ou em
alternativa um sistema Ground Coupled Heat Pumps (GCHPs) vertical.
Para se dimensionar uma instalação geotérmica é necessário saber qual a potência
de aquecimento instantâneas e a capacidade de aquecimento anual. Após a obtenção destes
valores, estuda-se o tipo de solo existente e analisa-se qual a capacidade energética que o
solo pode oferecer em conjunto com a bomba de calor geotérmica.
Finalmente, analisa-se a viabilidade económica de cada um dos sistemas
geotérmicos (horizontal e vertical) de modo a determinar qual deles representará a solução
mais atrativa, tanto económica, como energeticamente. Depois de determinar qual dos
sistemas: horizontal ou vertical representa a melhor alternativa, realiza-se um novo estudo
de viabilidade económica para comparar esta solução com a obtida com o sistema solar
térmico constituído por coletores da marca Vulcano.
66
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
5.2. Dimensionamento do sistema geotérmico
Segundo a Directiva 2009/28/CE para dimensionar um sistema geotérmico é
necessário escolher uma bomba de calor cuja produção exceda significativamente a energia
primária necessária para o fazer funcionar. Assim, após uma pesquisa de mercado,
selecionou-se a bomba de calor da marca Ecoforest cuja eficiência é superior a 400% e cujo
coeficiente de performance (COP) varia entre 4,6 e 5 (Tabela 5.1). A bomba está certificada
pelo rótulo de qualidade europeu (EHPA) cumprindo os requisitos do programa de
rotulagem ecológica estabelecido na Decisão 2007/742/CE da Comissão, de 9 de
Novembro de 2007.
Tabela 5.1 - Características das bombas de calor da marca Ecoforest. [Fonte: www.ecoforest.es]
Bombas de calor
Referência
3-12 kW
ecoGEO C1
5-22kW
ecoGEO C1
12-50kW
ecoGEO HP1
15-70kW
ecoGEO HP1
25-100kW
ecoGEO HP1
COP
4,6 - 5
A potência útil (Qútil) necessária para aquecer os biodigestores, em função da
massa volúmica da matéria orgânica e da temperatura ótima, encontra-se Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Potência útil em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica.
Massa volúmica
2
Potência útil [kW]
[kg/m3]
30ºC
35ºC
40ºC
130
11
14
18
240
20
27
33
320
27
36
44
400
33
44
56
480
40
53
67
560
47
62
78
67
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Depois de determinadas as potências úteis é possível selecionar a gama de bombas
de calor (Tabela 5.1) necessárias para assegurar essas mesmas potências.
Na Tabela 5.3 são apresentados os valores de potência elétrica (WEL) absorvida
pela bomba de calor obtidos através da Equação 5.1.
COP =
Qútil
WEL
(5.1)
Tabela 5.3 - Potência elétrica (WEL) em kW, absorvida pela bomba de calor em função da temperatura ótima
e da massa volúmica da matéria orgânica.
Potência elétrica [kW]
Massa volúmica
[kg/m3]
30ºC
35ºC
40ºC
130
2,35
3,14
3,92
240
4,34
5,79
7,24
320
5,79
7,72
9,65
400
7,24
9,65
12,07
480
8,69
11,58
14,48
560
10,14
13,52
16,89
Sendo a potência elétrica a potência cedida à bomba de calor, a potência a
permutar com o terreno (Qter) é dada pela Equação 5.2.
[kW]
WEL = Qútil - Q
ter
(5.2)
Na Tabela 5.4 constam os valores de Qter obtidos em função da temperatura ótima
e da massa volúmica da matéria orgânica. Qter é o calor que pode ser captado do terreno.
68
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Tabela 5.4 - Potência a permutar com o terreno, em kW, em função da temperatura ótima e da massa volúmica
da matéria orgânica.
Qter [kW]
Massa volúmica
[kg/m3]
30ºC
35ºC
40ºC
130
8,47
11,30
14,12
240
15,64
20,85
26,07
320
20,85
27,80
34,75
400
26,07
34,75
43,44
480
31,28
41,70
52,13
560
36,49
48,66
60,82
De seguida, são abordados especificamente os principais aspetos relativos à fase
de projeto e à realização de instalações com bombas de calor que captam energia térmica
do subsolo, sem consumo do lençol de água, nomeadamente os sistemas GCHPs horizontal
e vertical.
5.2.1. Sistema GCHPs horizontal
Tal como foi descrito no Capítulo 2, um sistema GCHPs horizontal é constituído
por um conjunto de coletores geotérmicos (permutadores) dispostos horizontalmente no
terreno a uma profundidade que pode variar entre 0,8 e 4 metros. Este coletor capta o calor
do subsolo para o fluido de trabalho (água glicolada) que circula dentro dum circuito
fechado constituído por tubos. Com a ajuda da bomba de calor o calor da fonte terrestre
captado é aumentado até à temperatura necessária para o aquecimento. Este calor deriva,
sobretudo, do sol e da chuva (Figura 5.1-a). Portanto, é necessário instalar estes coletores
em zonas, onde pode chegar, sem qualquer impedimento, o calor proveniente do sol e das
chuvas.
Para evitar interferências e facilitar as intervenções de manutenção, aconselha-se
a respeitar as seguintes distâncias mínimas: a) 1,5 m das redes das instalações enterradas
de tipo não hidráulico: redes elétricas, de telefone e de gás; b) 2,0 m das redes das
instalações enterradas de tipo hidráulico: redes de água sanitária, de águas pluviais e de
69
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
esgoto; c) 3,0 m das fundações, poços de água, fossas sépticas, poços de escoamento e afins
(Caleffi, 2011).
a)
b)
Figura 5.1 – a) Principais fontes de calor a baixa temperatura; b) Permutadores em caracol.
[Fonte: www.caleffi.pt]
Nesta dissertação propõe-se a instalação de permutadores com geometria em
caracol (Figura 5.1-b), pois podem possibilitar soluções mais compactas, e menos invasivas
do que aquelas que se podem obter com as geometrias tradicionais (serpentina).
A dimensão destes permutadores efetua-se com base no rendimento térmico do
terreno (Tabela 5.5), que depende principalmente de 3 parâmetros: o tipo de terreno, a sua
densidade e o nível de humidade.
Tabela 5.5 - Rendimentos específicos aproximados das superfícies de terreno para permutadores em caracol.
[Fonte: www.caleffi.pt]
Tipo de subsolo
[W/m2]
Terreno arenoso seco
10 – 15
Terreno arenoso húmido
15 – 20
Terreno argiloso seco
20 – 25
Terreno argiloso húmido
25 – 30
Terreno saturado de água
30 – 40
70
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
De acordo com os dados da Direção Regional do Ambiente e Ordenamento do
Território (DRAOT-NORTE, 1999), os solos com maior representatividade na bacia
hidrográfica na zona de Vila Real, são os cambissolos. São solos que apresentam textura
arenosa ou franco-arenosa, muito permeáveis e altamente mineralizados, apresentando um
horizonte B na crosta calcária, pedregoso, poroso e fácil de trabalhar. Da Tabela 5.5 o que
se assemelha mais ao tipo de solo característico de Vila Real é o arenoso-húmido.
De seguida é preciso avaliar a superfície de terreno necessária (S) para a instalação
dos permutadores em caracol. Na Tabela 5.6 apresentam-se as superfícies necessárias,
determinadas dividindo a potência (Qter) de permuta com o terreno (Tabela 5.4) pelo
rendimento do terreno (Tabela 5.5).
Tabela 5.6 - Superfícies de terreno (S), em m2,necessárias para a instalação dos permutadores em caracol.
Superfícies de terreno [m2]
Massa volúmica
[kg/m3]
30ºC
35ºC
40ºC
130
423,56
564,75
705,94
240
781,97
1042,62
1303,28
320
1042,62
1390,16
1737,70
400
1303,28
1737,70
2172,13
480
1563,93
2085,24
2606,55
560
1824,59
2432,78
3040,98
O coletor geotérmico (permutadores) é formado por tubos em plástico, como por
exemplo, o polietileno (PE), o polipropileno (PP) e o polibutileno (PB). Para este projeto
optou-se pelo coletor geotérmico da marca Rehau (Tabela 5.7) devido à sua elevada
resistência tanto aos danos mecânicos como às cargas pontuais e devido ao material PE-Xa
que possibilita a sua colocação em solos agressivos sem haver necessidade de se realizar
um leito de areia.
71
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Tabela 5.7 – Dimensões do coletor geotérmico horizontal. [Fonte: www.rehau.com]
Material
Polietileno reticulado (PE-Xa)
Diâmetro exterior (de)
32mm
Diâmetro interior (di)
29,1mm
Entre-eixos
400mm
Para determinar o comprimento total de tubos (L) basta dividir a área de superfície
de terreno (Tabela 5.6) pelo diâmetro exterior dos tubos (Tabela 5.7). Nos resultados
apresentados na Tabela 5.8 estão contabilizadas as perdas de carga.
Tabela 5.8 – Comprimento total de tubos (L), em metros, em função da temperatura ótima e da massa
volúmica da matéria orgânica.
Comprimento total de tubos [m]
Massa volúmica
[kg/m ]
30ºC
35ºC
40ºC
130
13236,39
17648,52
22060,65
240
24436,42
32581,89
40727,36
320
32581,89
43442,52
54303,15
400
40727,36
54303,15
67878,93
480
48872,83
65163,78
81454,72
560
57018,30
76024,40
95030,51
3
5.2.2. Sistema GCHPs vertical
Num sistema de captação geotérmica vertical as sondas são colocadas num ou
vários furos de 80 a 162 metros de profundidade (Capítulo 2). Estes permutadores são
colocados em funcionamento em furos com um diâmetro que varia entre 100 e 150 mm.
Nos furos são introduzidos um ou dois circuitos em U, concebidos com tubos em PE-Xa
(geralmente com diâmetros DN 25, DN 32 e DN 40), específicos para estas aplicações
especialmente delicadas, dado que as profundidades em causa comportam pressões quer
internas, quer de esmagamento, muito elevadas (Figura 5.2-a).
72
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
De modo a não provocar danos nas fundações, as sondas geotérmicas (Figura 5.2b) devem ser colocadas a funcionar a distâncias mínimas do edifício de, pelo menos, 4-5
m. Além disso, se estiverem previstas várias sondas, deve haver entre elas distâncias não
inferiores a 8 metros para evitar interferências térmicas (Caleffi, 2011).
Secção
de uma sonda em duplo U
com tubo de enchimento
Bentonite
Tubos
sonda
Peso
de fundo
a)
b)
Figura 5.2 – a) Ilustração de um furo com captação por sonda geotérmica [Fonte: www.caleffi.pt];
b) Sonda geotérmica RAUGEO PE100 e PE-Xa [Fonte: www.rehau.com]
A Tabela 5.9, de seguida apresentada, segue as normas alemãs VDI 4640 e indica
os rendimentos das sondas geotérmicas em duplo U, em relação aos tipos de subsolo mais
comuns.
73
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Tabela 5.9 - Rendimentos térmicos específicos, ηter, para sondas geotérmicas. [Fonte: www.caleffi.pt]
Potência extraível (W/m)
Tipo de subsolo
1800 horas
2400 horas
Saibro, areia seca
< 25
< 20
Saibro, areia, saturados de água
65–80
55–65
Argila, limo húmido
35–50
30–40
Calcário (maciço)
55–70
45–60
Arenito
65–80
55–65
Migmatito silicioso (granito)
65–85
55–70
Migmatito básico (basalto)
40–65
35–55
Gnaisse
70–85
60–70
O cálculo do número de furos (Equação 5.3) é feito em função, da potência a
permutar com o terreno (𝑄𝑡𝑒𝑟 , Tabela 5.4) e do rendimento térmico específico linear (𝜂𝑡𝑒𝑟 ,
Tabela 5.9). Neste caso como se trata de um subsolo formado por saibro, areia, saturados
de água, consideram-se 80 W/m e num comprimento máximo de sonda de 100m.
nºfuros =
Qter
(5.3)
ηter × 100
O número de furos necessários para assegurar as necessidades de aquecimento dos
biodigestores para produção de biogás, consta da Tabela 4.10.
Tabela 5.10 - Número de furos necessários para instalação do sistema GCHPs vertical.
nº de furos
Massa volúmica
[kg/m3]
30ºC
35ºC
40ºC
130
1
1
2
240
2
3
3
320
3
3
4
400
3
4
5
480
4
5
7
560
5
6
8
74
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
5.3.Viabilidade Económica
Para o cálculo do investimento contabilizou-se o custo dos equipamentos da sua,
manutenção e da sua instalação (Tabela 5.11). Na Tabela 5.12 encontram-se os custos de
investimento, em euros, dos dois sistemas de captação geotérmica em estudo, GCHPs
horizontal e vertical.
Tabela 5.11 – Preço de um furo geotérmico de alta profundidade (100-120m) (Coelho, 2007).
Tipo de tubo
Double-U-tube
4x32
Single-U-tube
2x40
Furo
Preço por
tubo
Outros
materiais
Líquido
anticongelante
Total
3 750,00 €
677,00 €
237,50 €
216,00 €
4 880,50 €
4 000,00 €
426,00 €
309,40 €
167,20 €
4 902,60 €
Tabela 5.12 – Comparação do investimento (1), em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o
vertical, em função da temperatura ótima e da massa volúmica da matéria orgânica.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
13560,45
14764,53
14867,27
14764,53
16174,09
19889,05
240
16877,76
19401,00
19290,35
25013,58
21702,93
25013,58
320
19290,35
25013,58
22507,13
25013,58
25723,91
30138,10
400
21702,93
25013,58
25723,91
30138,10
29744,89
35262,63
480
24115,52
30138,10
28940,70
35262,63
33765,87
45511,68
560
26528,11
35262,63
32157,48
40387,15
37786,85
50636,20
(1)
no investimento inclui-se o preço do furo e da bomba de calor
Analisando a Tabela 5.12, verifica-se que a instalação geotérmica que implica o
menor investimento é o sistema de captação GCHPs horizontal. O investimento no sistema
GCHPs horizontal é em média de 20% inferior ao que seria necessário para a mesma
situação mas aplicando o sistema GCHPs vertical. Para a temperatura ótima de 40ºC e para
a massa volúmica de 480 kg/m3, a diferença entre o é GCHPs horizontal e o vertical chega
mesmo a ser de 34,79%.
75
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Na Figura 5.3 observa-se a poupança, em euros, na fatura energética com a
instalação do sistema geotérmico, como alternativa às soluções tradicionais a eletricidade
e gás natural, para a temperatura ótima de 40ºC. Analisando a Figura 5.3 conclui-se que a
economia resultante da utilização da energia geotérmica em substituição das alternativas
convencionais a energia elétrica é superior à economia gerada em substituição das
alternativas convencionais a gás natural.
10 000 €
9 000 €
Eletricidade
8 000 €
Gás Natural
Poupança [€]
7 000 €
6 000 €
5 000 €
4 000 €
3 000 €
2 000 €
1 000 €
0€
130
240
320
400
massa volúmica
480
560
[kg/m3]
Figura 5.3 - Poupança anual, em euros, em função da fonte de energia tradicional, eletricidade ou gás
natural, para a temperatura ótima de 40ºC.
Para determinar o período de tempo que o projeto leva a recuperar o capital
investido, calculou-se o payback para os dois sistemas de captação geotérmica, recorrendo
à Equação 4.8. Nas Tabelas 5.13 e 5.14 apresenta-se o payback, em anos, para os sistemas
GCHPs horizontal e vertical, resultante da substituição da energia elétrica e do gás natural,
respetivamente.
O payback médio para a substituição da energia elétrica pelo sistema GCHPs
horizontal ou vertical é de 4,79 e 5,71 anos, respetivamente. Já para a substituição do gás
natural, o tempo de payback é ligeiramente superior, 8,09 anos com o sistema GCHPs
horizontal e 9,64 anos com o sistema GCHPs vertical. Apesar do investimento inicial no
GCHPs vertical ser superior ao do GCHPs horizontal, o payback para ambos é assegurado
rapidamente e dentro do tempo de vida do equipamento (20-50 anos).
76
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Tabela 5.13 – Comparação do payback, em anos, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o
vertical, resultante da substituição da alternativa convencional a energia elétrica.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
8,76
9,53
7,20
7,15
6,27
7,71
240
5,90
6,79
5,06
6,56
4,56
5,25
320
5,06
6,56
4,43
4,92
4,05
4,74
400
4,56
5,25
4,05
4,74
3,75
4,44
480
4,22
5,27
3,80
4,63
3,54
4,78
560
3,98
5,29
3,62
4,54
3,40
4,55
Tabela 5.14 - Comparação do payback, em anos, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical,
resultante da substituição da alternativa convencional a gás natural.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
14,80
16,11
12,17
12,08
10,59
13,02
240
9,98
11,47
8,55
11,09
7,70
8,87
320
8,55
11,09
7,48
8,32
6,84
8,02
400
7,70
8,87
6,84
8,02
6,33
7,50
480
7,13
8,91
6,41
7,82
5,99
8,07
560
6,72
8,93
6,11
7,67
5,74
7,70
A atualização de valores (VAL) ao ano de referência, encontra-se nas Tabelas 5.15
e 5.16, e foi calculada aplicando a Equação 4.9.
Da análise da Tabela 5.15, conclui-se que só para a massa volúmica de 130kg/m3
e para 35ºC é que o VAL do investimento no sistema GCHPs vertical é superior ao VAL
do sistema GCHPs horizontal, sendo que para as restantes massas volúmicas a maior
valorização do investimento ocorre com aplicação do sistema GCHPs horizontal. O
investimento é recuperado e no final do tempo de vida do equipamento, com um excedente
médio de 252462 €.
77
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
Observando a Tabela 5.16, verifica-se que o investimento é valorizado e
recuperado em todas as situações, no entanto, é com a aplicação do sistema GCHPs
horizontal que se obtém a maior valorização do capital investido gerando-se um excedente
monetário de 139660 €.
Tabela 5.15 – Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical,
resultante da substituição da alternativa convencional a energia elétrica.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
62 346
61 142
86 341
86 444
110 336
106 621
240
123 257
120 733
167 555
161 832
211 854
208 544
320
167 555
161 832
226 621
224 114
285 686
281 271
400
211 854
208 544
285 686
281 271
359 517
353 999
480
256 153
250 131
344 751
338 429
433 349
421 603
560
300 452
291 717
403 816
395 586
507 180
494 331
Tabela 5.16 - Comparação do VAL, em euros, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o vertical,
resultante da substituição da alternativa convencional a gás natural.
Massa volúmica
30ºC
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
31 365
30 161
45 033
45 136
58 701
54 986
240
66 061
63 538
91 295
85 572
116 529
113 218
320
91 295
85 572
124 940
122 433
158 585
154 171
400
116 529
113 218
158 585
154 171
200 641
195 123
480
141 762
135 740
192 230
185 908
242 697
230 951
560
166 996
158 262
225 875
217 645
284 753
271 904
Além do VAL, é ainda necessário calcular outro indicador económico, a taxa
interna de rentabilidade (TIR). Este indicador permite determinar a taxa que o investidor
obtém em média em cada ano sobre os capitais que se mantêm investidos no projeto,
enquanto o investimento inicial é recuperado progressivamente. Nas Tabelas 5.17 e 5.18,
dispõem-se os TIR, em percentagem, para os sistemas sistemas GCHPs horizontal e
78
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
vertical, resultantes da substituição das alternativas convencionais a energia elétrica ou a
gás natural, respetivamente.
Tabela 5.17 – Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o
vertical, resultante da substituição da alternativa convencional a energia elétrica.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
10,35%
9,57%
12,36%
12,44%
14,00%
11,62%
240
14,76%
13,04%
16,90%
13,43%
18,52%
16,37%
320
16,90%
13,43%
18,98%
17,32%
20,50%
17,88%
400
18,52%
16,37%
20,50%
17,88%
21,90%
18,93%
480
19,79%
16,31%
21,65%
18,28%
22,95%
17,78%
560
20,81%
16,27%
22,57%
18,57%
23,77%
18,52%
Tabela 5.18 - Comparação do TIR, em percentagem, entre o sistema de captação GCHPs horizontal e o
vertical, resultante da substituição da alternativa convencional a gás natural.
30ºC
Massa volúmica
35ºC
40ºC
[kg/m3]
horizontal
vertical
horizontal
vertical
horizontal
vertical
130
6,35%
5,86%
7,64%
7,69%
8,69%
7,17%
240
9,18%
8,07%
10,58%
8,33%
11,64%
10,23%
320
10,58%
8,33%
11,94%
10,85%
12,94%
11,22%
400
11,64%
10,23%
12,94%
11,22%
13,88%
11,91%
480
12,48%
10,19%
13,71%
11,48%
14,58%
11,15%
560
13,15%
10,16%
14,32%
11,67%
15,13%
11,64%
Mais uma vez, o sistema GCHPs horizontal revela ser o investimento mais
acertado face ao sistema GCHPs vertical para assegurar o aquecimento dos biodigestores.
Analisando a Tabela 5.17 verifica-se que o investimento é recuperado na totalidade e
valorizado a uma taxa média anual de 18,65% e 15,78%, respetivamente, para os sistemas
GCHPs horizontal e vertical. Quando aplicados investimentos nos sistemas GCHPs
horizontal e vertical, em alternativa ao gás natural (Tabela 5.18), estes são valorizados a
uma taxa média anual de 11,74% e 9,85%.
79
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
5.4. Comparação entre o sistema geotérmico e o sistema solar
Depois de analisadas todas as soluções de sistemas solares propostas, concluiu-se
que o sistema solar térmico da Vulcano seria a melhor escolha para assegurar as
necessidades energéticas da digestão anaeróbia. Já das duas opções propostas para
aquecimento dos biodigestores, através do aproveitamento da energia geotérmica contida
no subsolo, destacou-se o sistema GCHPs horizontal. Nas Figuras 5.4 e 5.5 encontram-se,
respetivamente, a comparação, em euros do investimento inicial e da poupança adquirida
com a implementação do sistema solar térmico Vulcano e do sistema de captação
geotérmico horizontal.
40 000
T30 Geo
35 000
T35 Geo
Investimento [€]
30 000
T40 Geo
25 000
T30 Solar
20 000
T35 solar
15 000
T40 Solar
10 000
5 000
0
130
240
320
400
480
560
ρ [kg/m3]
Figura 5.4 – Comparação entre o investimento necessário para o sistema geotérmico GCHPs horizontal e
para o sistema solar Vulcano.
O investimento inicial no sistema geotérmico é substancialmente superior (cerca
de 60%, em média) ao do investimento necessário para instalação do sistema solar térmico.
O acréscimo monetário chega a atingir os 75% para a temperatura ótima de 30ºC e uma
massa volúmica de matéria orgânica de 130kg/m3.
Apesar do sistema solar térmico requerer o menor investimento, o que gera a maior
poupança anual é o sistema geotérmico. Este apresenta poupanças anuais, em média, 39%
superiores às obtidas com a implementação do sistema solar. Na Figura 5.6, compara-se o
tempo de retorno do investimento (payback), em anos, para cada uma das soluções: energia
geotérmica e solar.
80
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
7 000
T30 Geo
6 000
T35 Geo
T40 Geo
Poupança [€]
5 000
T30 Solar
T35 Solar
4 000
T40 Solar
3 000
2 000
1 000
0
130
240
320
400
ρ [kg/m3]
480
560
Figura 5.5 – Comparação entre a poupança anual adquirida com a implementação do sistema geotérmico
GCHPs horizontal e do sistema solar Vulcano.
16
T30 Geo
14
T35 Geo
T40 Geo
Paybacl [anos]
12
T30 Solar
10
T35 Solar
T40 Solar
8
6
4
2
0
130
240
320
ρ
400
480
560
[kg/m3]
Figura 5.6 – Comparação entre os valores de payback, em anos, obtidos para o sistema solar térmico e o
sistema geotérmico horizontal.
A Figura 5.6 confirma que sistema solar térmico é a solução mais económica para
o aquecimento dos biodigestores. O investimento é recuperado muito mais rapidamente
com implementação do sistema solar térmico, cerca de 5 anos, em detrimento dos 8 anos
do sistema geotérmico.
81
Capítulo 5 – Aquecimento Geotérmico
5.5. Conclusões
A utilização da energia geotérmica como alternativa no aquecimento dos
biodigestores para produção de biogás, é uma solução benéfica do ponto de vista ambiental
e económico. Com esta tecnologia elimina-se a poluição sonora e visual.
Neste Capítulo estudaram-se duas soluções para captar o calor geotérmico contido
no solo: um sistema GCHPs horizontal e outro vertical, comparando-as com o sistemas de
aquecimento convencional a gás natural e com outro a energia elétrica.
Conclui-se que ambas as soluções representam soluções viáveis, no entanto a que
consegue obter o maior retorno no menor intervalo de tempo e a que garante a melhor
eficiência energética na produção de biogás, é a captação geotérmica através de um sistema
GCHPs horizontal.
A instalação de um sistema GCHPs horizontal constitui uma eficaz medida de
poupança da fatura energética. Verificou-se que a poupança anual resultante da
implementação do sistema geotérmico horizontal para substituição da energia elétrica é em
média de 5638,07€.
Por outro lado, a substituição do sistema de aquecimento tradicional dos
biodigestores a gás natural, pelo sistema GCHPs horizontal traduz-se numa poupança anual
de 3336,91€ na fatura energética.
Ao comparar o sistema de captação geotérmico GCHPs horizontal com o sistema
solar térmico, no que diz respeito a assegurar as necessidades de aquecimento da digestão
anaeróbia, constata-se que o sistema que desempenha melhor esse papel ao mesmo tempo
que constitui a alternativa económica e energeticamente mais favorável, é o sistema solar
térmico. Contudo, o sistema solar térmico necessita de um sistema auxiliar por forma a
garantir o fornecimento de energia durante todo o ano, já o sistema de aquecimento
geotérmico é completamente autónomo. Talvez uma solução combinada seja melhor opção,
ou seja, o sistema solar térmico auxiliado pelo sistema geotérmico.
82
Capítulo 6 – Conclusões
Capítulo 6
Conclusões
A União Europeia estabelece a utilização de soluções mais sustentáveis para a
gestão de resíduos, por forma a atenuar a sua deposição em aterro. O aproveitamento da
fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos através da digestão anaeróbia, constitui uma
solução bastante promissora no tratamento dos resíduos, valorizando-os e reciclando-os. A
digestão a anaeróbia utiliza o conteúdo energético dos resíduos convertendo-o numa fonte
de energia - o biogás, a matéria orgânica resultante pode ainda ser utilizada como
fertilizante orgânico natural.
Realizaram-se ensaios com lamas de ETAR para a produção de biogás através da
digestão anaeróbia. Concluiu-se que a agitação e a homogeneidade condicionam a
quantidade de biogás produzida.
Tradicionalmente durante o processo de digestão anaeróbia parte do biogás
produzido é utilizado para aquecer os biodigestores. Estudaram-se duas soluções
alternativas para substituir a fonte de calor da digestão anaeróbia garantindo as suas
necessidades de aquecimento sem consumo do biogás produzido: um sistema solar térmico
e um sistema geotérmico.
Calcularam-se as necessidades energéticas para três temperaturas ótimas de
funcionamento e para cinco massas volúmicas de matéria orgânica. Concluiu-se que quanto
maior são os valores de temperatura e de massa volúmica, maiores serão as necessidades
energéticas da instalação.
Dimensionaram-se cinco sistemas solares térmicos, para os modelos de cinco
marcas diferentes. Verificou-se que as diferenças percentuais na energia captada pelos
coletores em estudo, sem mantêm constantes com o aumento da massa volúmica da matéria
orgânica. O mesmo não acontece com a variação da temperatura ótima. Assim, quanto mais
83
Capítulo 6 – Conclusões
elevada é a temperatura ótima, maior é a diferença percentual no desempenho energético
dos coletores.
Em média a fração solar obtida para os meses de verão aproxima-se dos 100%, já
no inverno a fração solar cai paras os 50% em fevereiro e para os 30% em dezembro e
janeiro. Logo, durante o verão as necessidades energéticas da digestão anaeróbia são
praticamente asseguradas, já no inverno é essencial a utilização de um sistema auxiliar.
De entre os coletores solares térmicos analisados aquele que captou mais energia
solar durante os meses mais frios foi o da Logasol, constituindo assim a melhor opção para
assegurar as necessidades de energia da digestão anaeróbia durante o inverno. No entanto,
o sistema solar térmico com coletores da marca Logasol é o requer o maior investimento.
Com o estudo de viabilidade económica concluiu-se que o sistema solar térmico da Vulcano
seria afinal a opção mais atrativa e vantajosa. Com um investimento médio bastante inferior
aos restantes, este sistema solar térmico apresenta um payback de 5 anos, em média metade
dos tempos de retorno necessários para recuperar os investimentos dos outros sistemas
solares térmicos analisados.
Para a instalação do sistema solar térmico são então necessários 12 coletores
solares constituindo um investimento de 9 703,68 €. Este investimento é valorizado à taxa
de 17,19%, gerando-se um excedente no final do tempo de vida útil do equipamento (20
anos) de 88 289,58 €.
Além da substituição da fonte de calor tradicional da digestão anaeróbia por um
sistema solar térmico constituir uma solução economicamente atrativa, com a
implementação do sistema solar térmico reduzem-se ainda, em cerca de 65%, as emissões
de CO2 para a atmosfera. A energia solar térmica torna-se assim uma alternativa sustentável
e ao mesmo tempo amiga do ambiente.
No que diz respeito ao sistema geotérmico, equacionaram-se duas soluções, a
utilização de um sistema GCHPs horizontal ou de um sistema CGHPs vertical.
O investimento médio no sistema GCHPs horizontal, cerca de 23 914,47€, é
substancialmente inferior ao investimento necessário para a instalação do sistema CGHPs
84
Capítulo 6 – Conclusões
vertical, que é em média 29 256,90€. Normalmente, os sistemas CGHPs verticais requerem
um investimento inicial mais elevado, pois para este tipo de instalação o calor geotérmico
do subsolo é captado através de furos com sondas geotérmicas até uma profundidade
máxima de 120m, enquanto que na instalação dos sistemas CGHPs horizontais os coletores
geotérmicos dispõem-se horizontalmente no terreno.
Calcularam-se as poupanças médias anuais com a instalação dos dois sistemas de
captação geotérmica, como alternativa às soluções tracionais a eletricidade e gás natural.
Concluiu-se que a instalação de um sistema GCHPs horizontal constitui uma eficaz medida
de poupança da fatura energética Verificou-se que a poupança anual resultante da
implementação do sistema geotérmico horizontal para substituição da energia elétrica é em
média de 5638,07€. Por outro lado, a substituição do sistema de aquecimento tradicional
dos biodigestores a gás natural, pelo sistema GCHPs horizontal traduz-se numa poupança
anual de 3336,91€ na fatura energética.
O payback médio obtido para sistema CGHPs horizontal, para a substituição da
energia elétrica e do gás natural, é de 0,82 e 7,36 anos, respetivamente. Já no caso do
sistema CGHPs vertical o payback resultante da substituição da energia elétrica é de 1,1
anos, enquanto que para substituição do gás natural o tempo de retorno do investimento
aumenta para 10,04 anos. O sistema CGHPs horizontal foi o que obteve os payback´s no
menor intervalo de tempo, tanto como alternativa à energia elétrica como ao gás natural.
Com a instalação do sistema CGHPs horizontal em alternativa ao aquecimento
tradicional a gás natural recupera-se o investimento na totalidade a uma taxa média anual
de 11,74% e no final do tempo de vida do equipamento ainda há um excedente de 139 660€.
Comparou-se o sistema de captação geotérmico GCHPs horizontal com o sistema
solar térmico, no que diz respeito a assegurar as necessidades de aquecimento da digestão
anaeróbia. Constatou-se que o sistema que desempenhava melhor esse papel, ao mesmo
tempo que constituía a alternativa económica e energeticamente mais favorável, era o
sistema solar térmico. O investimento é recuperado muito mais rapidamente com
implementação do sistema solar térmico, cerca de 5 anos, em detrimento dos 8 anos do
sistema geotérmico.
85
Capítulo 6 – Conclusões
Contudo, para garantir o fornecimento de energia durante todo o ano, o sistema
solar térmico necessita de um sistema auxiliar, já o sistema de aquecimento geotérmico é
completamente autónomo. Como trabalho futuro propõe-se a utilização de uma solução
combinada, ou seja, estudar a possibilidade do sistema solar térmico ser auxiliado pelo
sistema geotérmico de forma a assegurar as necessidades energéticas da digestão anaeróbia
para a produção de biogás.
86
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Anexo I – Variação do coeficiente de correção de inclinação do coletor (k), ao longo do
ano, em função do ângulo ótimo de inclinação e da latitude local. [Borges, (2009)]
Latitude: 41
Inc
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Ago
Set
Out
Nov
Dez
0
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