UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Nilton Costa Junior
ANÁLISE DO PROJETO DE USO DO BIOGÁS NO ATERRO
BANDEIRANTES UTILIZANDO CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
E QUEIMADORES REGISTRADORES DE BIOGÁS
ECOEFICIENTES
Taubaté - SP
2012
Nilton Costa Junior
ANÁLISE DO PROJETO DE USO DO BIOGÁS NO ATERRO
BANDEIRANTES UTILIZANDO CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
E QUEIMADORES REGISTRADORES DE BIOGÁS
ECOEFICIENTES
Dissertação apresentada para obtenção do Título de
Mestre pelo Curso de Mestrado Profissional em
Engenharia Mecânica do Departamento de Pós
Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
de Taubaté, Área de Concentração em Automação e
Projeto Mecânico.
Orientador: Prof. Dr. Ederaldo Godoy Junior.
Co-orientador: Prof. Dr. Marcio Abud Marcelino.
Taubaté - SP
2012
NILTON COSTA JUNIOR
ANÁLISE DO PROJETO DE USO DO BIOGÁS NO ATERRO BANDEIRANTES
UTILIZANDO CÉLULAS A COMBUSTÍVEL E QUEIMADORES REGISTRADORES
DE BIOGÁS ECOEFICIENTES
Dissertação apresentada para obtenção do Título de
Mestre pelo Curso de Mestrado Profissional em
Engenharia Mecânica do Departamento de Pós
Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
de Taubaté, Área de Concentração em Automação e
Produção Mecânica.
Data: _______________________
Resultado: ___________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Ederaldo Godoy Junior (Orientador)
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Assinatura ___________________________________
Prof. Dr. Agnelo Marotta Cassula (Membro Externo) UNESP – Campus de Guaratinguetá
Assinatura ___________________________________
Profa. Dra. Valesca Alves Corrêa (Membro Interno) Universidade de Taubaté
Assinatura ___________________________________
A minha esposa e a minha filha, sem as
quais este trabalho não teria sentido.
AGRADECIMENTOS
A natureza, fonte de vida e inspiração.
À minha família, pelo incentivo e compreensão.
Aos meus amigos, pelo apoio nas horas difíceis, principalmente ao meu amigo de
mestrado professor Sergio Araki e ao professor Eberval Castro, pelo suporte dado nesta
pesquisa.
Aos meus companheiros de trabalho, pela amizade dispensada.
À empresa Biogás Energia Ambiental, pelo apoio logístico à pesquisa.
Ao engenheiro Anderson Alves da Silva, por ter prestado importantes informações
sobre as operações da Biogás no Aterro Bandeirantes.
Aos Professores Dr. Ederaldo Godoy Junior e Dr. Marcio Abud Marcelino, que
respectivamente me orientou e me co-orientou na finalização deste trabalho introduzindo o
queimador de biogás ecoeficiente de vossa patente PI 0902381-0
Ao Instituto Federal de São Paulo pelo apoio dado a esse mestrado.
E agradeço, sobretudo, à professora Dra. Marta Maria Nogueira Assad, que me
incentivou e me orientou por um grande período no desenvolvimento desde o início deste
trabalho.
“Tudo o que é realmente grande e inspirador
é criado pelo indivíduo que pode trabalhar em
liberdade."
Albert Einstein
Resumo
Historicamente, a utilização sistemática de energia não renovável tem levado a uma
redução drástica dos recursos naturais do planeta como um todo, e causado grandes impactos
ambientais. Além disso, a crescente produção de lixo resultante da cultura de consumo e
descarte adotada pela sociedade pós Revolução Industrial, teve como consequência o
aparecimento dos grandes aterros sanitários, gerando gases que intensificam o efeito estufa.
No Brasil, com a geração de gases do aterro sanitário Bandeirantes (ASB), um dos maiores
aterros no mundo, foi implantada uma usina termelétrica para aproveitamento energético do
gás de aterro. O presente trabalho tem como propósito o estudo técnico e econômico da
substituição da tecnologia de geração de energia elétrica via grupos motogeradores e
queimadores flares – sistema utilizado para a queima do biogás excedente, por tecnologia
ecoeficiente, no caso a utilização de células a combustível (CaC) e queimadores registradores
de biogás a baixa vazão (QRBBV). Para tanto, foi realizado um estudo de caso do ASB, e
com base nos dados obtidos, selecionou-se e dimensionou-se o sistema gerador de energia
elétrica via CaC e o sistema QRBBV para operar com altas vazões de biogás e,
posteriormente, foi realizada uma análise técnica/econômica dos resultados obtidos. A grande
vantagem em se utilizar as CaC está na sua elevada eficiência energética e na redução de
emissões de gases poluentes, e na utilização do QRBBV, está no baixo custo e na
possibilidade de utilização do sistema de gasômetro que compõe o QRBBV, para a estocagem
de um volume considerável de biogás e posterior uso energético ou queima do gás para
creditação de carbono. Pode-se concluir que a substituição das atuais tecnologias pelas novas
tecnologias, no caso do ASM, possui vantagens técnicas e ambientais, porém, verificou-se que
o custo da tecnologia de CaC ainda é elevado para esse tipo de aplicação e que o sistema
QRBBV tem limitações em elevadas vazões de gás, porém, o sistema pode ser utilizado como
alternativa em projetos de baixa ou média vazão.
Palavras-chave: Aterro sanitário. Biogás. Geração de energia elétrica. Células a
combustível.
Abstract
Historically, the systematic use of non-renewable energy has led to a drastic reduction
of the natural resources of the planet as a whole, and caused major environmental impacts.
Moreover, the increasing production of waste, resulting from the culture of consumption and
disposal adopted by the society after the Industrial Revolution, has resulted in the appearance
of large landfills, generating gases that intensify the greenhouse effect. In Brazil, with the
generation of landfill gases Bandeirantes (ASB), one of the largest landfills in the world, was
implemented a thermal power plant for energy from landfill gas. The present work aims to
study the technical and economic substitution of technology for generating electricity via
groups motogenerators and flares - system used for burning surplus biogas, for ecoefficient
technology, in case, the use of fuel cells (FC) and register biogas burner at low flow
(RBBLF). To this end, we conducted a case study of the ASB, and based on data obtained,
was selected and scaled up the electricity generating system via FC and RBBLF system to
operate with high flows of biogas and subsequently, was performed a technical/economic
analysis of the results. The great advantage of using the FC is its high energy efficiency and
reducing greenhouse gas emissions, and the use of RBBLF, is low in cost and usability of the
system that makes up the gasholder RBBLF, for storage a considerable amount of biogas and
subsequent energy use or flaring of gas for carbon crediting. Can be concluded that the
replacement of existing technologies by new technologies, in the case of BFL, has technical
and environmental advantages, however, it was found that the cost of FC technology is still
high for this application and the system RBBLF has limitations at high gas flow rates,
however, the system can be used as an alternative designs for low to medium throughput.
Keywords: Landfill. Biogas. Electric energy generation. Fuel cells.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Modelo de aterro sanitário....................................................................................19
Figura 2.2 – Planta do Aterro Sanitário Bandeirantes...............................................................24
Figura 2.3 – Equipamentos de coleta e controle de vazão de biogás do ASB..........................25
Figura 2.4 – Esquema da Planta de Energia da Usina Termelétrica Bandeirantes....................29
Figura 2.5 – Esquema geral do Projeto Bandeirantes de Geração de Energia..........................30
Figura 2.6 – Célula a combustível tipo PEMFC ou PAFC........................................................33
Figura 2.7 – Sistema de pré-tratamento de biogás de aterro.....................................................36
Figura 2.8 – Diagrama da UPG, reformador e PAFC...............................................................37
Figura 2.9 – Investimentos Realizados na Usina Termelétrica Bandeirantes/SP......................42
Figura 2.10 – Sistema de coleta, armazenamento e filtragem de biogás..................................44
Figura 2.11 – Sistema de filtragem de biogás...........................................................................45
Figura 2.12 – Circuito ignitor de biogás...................................................................................46
Figura 2.13 – Sistema de controle do queimador e registrador................................................48
Figura 2.14 – Sistema queimador e registrador (a) vazio e (b) cheio.......................................49
Figura 2.15 – Desenhos do queimador dando ênfase ao sistema de controle e registro...........50
Figura 2.16 – Emissões de poluentes X tecnologias de geração de energia.............................54
Figura 3.1 – Método de interpolação usado na estimativa de geração de biogás do ASB........56
Figura 3.2 – Esquema da aplicação do sistema QRBBV no aterro Bandeirantes.....................60
Figura 4.1 – Gráfico da estimativa de geração de biogás e CH4 do aterro Bandeirantes.........68
Figura 4.2 – Gráfico da coleta de biogás e energia elétrica na UTEB......................................71
Figura 4.3 – Planta de energia de 4,8 MW utilizando a PureCell® Model 400 Power............75
Figura 4.4 – Cenário financeiro 1 (TIR1) – otimista................................................................79
Figura 4.5 – Cenário financeiro 2 (TIR2) – realista..................................................................80
Figura 4.6 – Cenário financeiro 3 (TIR3) – plantas de energia PC400.....................................81
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Composição básica do gás de aterro.....................................................................19
Tabela 2.2 – Poder Calorífico Inferior (PCI) de gases combustíveis........................................22
Tabela 2.3 – Características operacionais das células a combustível........................................34
Tabela 2.4 – Aspectos técnicos das células a combustível........................................................35
Tabela 2.5 – Relação de custos de uma unidade geradora baseada em PAFC de 250 kW.......39
Tabela 2.6 – Tecnologias de utilização do biogás e valores típicos de vazão...........................41
Tabela 2.7 – Descrição das funções do sistema de chaveamento do queimador......................47
Tabela 3.1 – Características do queimador flare HOFGAS – Efficiency 2500.........................58
Tabela 3.2 – Levantamento de custos de capital de uma PAFC................................................65
Tabela 3.3 – Levantamento de custos de capital de flares HOFGAS-Efficiency 1.000...........65
Tabela 4.1 – Resíduos depositados no ASM Bandeirantes.......................................................67
Tabela 4.2 – Eficiência elétrica média da usina Bandeirantes..................................................69
Tabela 4.3 – Composição dos gases de saída da UPG..............................................................74
Tabela 4.4 – Estimativa de custos de capital de uma planta PureCell® Model 400 – 20 MW.76
Tabela 4.5 – Estimativa de custos de capital de uma planta PureCell® Model 400 – 10 MW.76
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASM
Aterro Sanitário Municipal
BLGTE
Bandeirantes Landfill Gas to Energy - PDD-0164
CaC
Célula a Combustível
CDM
Clean Develepment Mechanism - mecanismo de desenvolvimento limpo
CIMGC
Comissão Interministerial de Mudança Global do Clima (DNA)
DNA
Designed National Authority
FC
Fuel cell (célula a combustível)
IPCC
Intergovernmental Painel on Climate Change
MDPO
Método de Decaimento de Primeira Ordem
miniEETERA Mini estação ecoeficiente de tratamento de esgoto e reuso de águas
PC400
PureCell® Model 400
PDD-0164
Project Design Document n° 0164 – Projeto BLFGE
PCI
Poder Calorífico Inferior
PAFC
Phosphoric acid fuel cell
PLC
Programmable Logic Controller
QRBBV
Queimador registrador de biogás à baixa vazão
RCE
Reduções Certificadas de Emissões (1 RCE = 1 tCO2 eq.)
RSU
Resíduos Sólidos Urbanos
US-EPA
United States - Environmental Protection Agency
UTEB
Usina Termelétrica Bandeirante
LISTA DE SÍMBOLOS
Btu
britsh thermal unit (unidade térmica britânica)
C
carbono
H
hidrogênio
k
constante de decaimento (ano-1)
L0
potencial de geração de metano em peso de resíduos (m3/t)
N
nitrogênio
O
oxigênio
pH
potencial hidrogeniônico
Rx
quantidade de resíduos depositados no ano x (t)
S
enxofre (sulphur)
tCO2e
tonelada de dióxido de carbono equivalente
Nm3/h
normal metro cúbico por hora
QT
quantidade de gás metano gerado no ano T (m3/ano)
QT,x
quantidade de gás metano gerado no ano T devido ao resíduo do ano x (m3/ano)
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................................15
1.1 Justificativa.........................................................................................................................16
1.2 Objetivos.............................................................................................................................16
1.3 Metodologia........................................................................................................................16
1.4 Estrutura do trabalho...........................................................................................................17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..............................................................................................18
2.1 Estado da arte de aterros sanitários municipais..................................................................18
2.1.1 Modelo de aterro sanitário...............................................................................................18
2.1.2 A geração de biogás nos aterros sanitários.......................................................................19
2.1.3 Modelos de estimativa da geração de biogás...................................................................21
2.1.4 Viabilidade de produção de energia a partir do biogás de aterro sanitário......................22
2.2 Estudo de caso do projeto de geração de energia do Aterro Sanitário Bandeirantes..........23
2.2.1 Formação do Aterro Sanitário Bandeirantes....................................................................23
2.2.2 Captação do biogás do Aterro Sanitário Bandeirantes.....................................................24
2.2.3 Planta de captura e tratamento de biogás.........................................................................25
2.2.4 Planta de geração de energia elétrica...............................................................................28
2.3 Estado da arte das tecnologias no uso do biogás................................................................30
2.3.1 Tecnologias de geração de energia a partir do biogás......................................................30
2.3.2 Tecnologias de limpeza do biogás....................................................................................39
2.3.3 Tecnologias de plantas de energia....................................................................................41
2.3.4 Tecnologias de baixa vazão de biogás..............................................................................42
2.3.4.1 Sistema de coleta, armazenamento e cogeração de energia a biogás............................43
2.3.4.2 Sistemas queimadores de gás e desenvolvimento do QRBBV.....................................45
2.4 Redução dos impactos ambientais no aproveitamento energético do biogás.....................52
3 MÉTODOS UTILIZADOS....................................................................................................55
3.1 Levantamento da capacidade de geração de biogás no Aterro Sanitário Bandeirantes......55
3.2 Escolha da tecnologia de células a combustível.................................................................56
3.3 Dimensionamento de um sistema QRBBV.........................................................................58
3.4 Análise financeira no uso das novas tecnologias no Aterro Sanitário Bandeirantes...........60
3.4.1 Receitas da venda de energia...........................................................................................61
3.4.2 Receita da venda dos créditos de carbono........................................................................61
3.4.3 Custos do projeto de geração de energia do PDD-0164..................................................63
3.4.4 Estimativa de custo de uma planta PAFC........................................................................64
3.4.5 Custos do sistema de queimadores tipo flare enclausurado.............................................65
4 DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO DE CASO...............................................................67
4.1 Levantamento da geração de biogás no Aterro Sanitário Bandeirantes..............................67
4.2 Planta de energia utilizando células a combustível para o caso do Aterro Sanitário
Bandeirantes..............................................................................................................................72
4.2.1 Estimativa do custo de capital de uma planta de células a combustível PC400..............76
4.3 Análise financeira da usina termelétrica do Aterro Sanitário Bandeirantes........................77
4.3.1 Cenário financeiro 1 - otimista.........................................................................................78
4.3.2Cenário financeiro 2 - realista...........................................................................................79
4.3.3 Cenário financeiro 3 – plantas PC400 de 20MW e 10MW.............................................80
4.4 Discussão............................................................................................................................82
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...................................85
REFERÊNCIAS........................................................................................................................87
APÊNDICE A – Questionário aplicado na visita ao Aterro Sanitário Bandeirantes realizada
em 23 jan. 2012.........................................................................................................................90
ANEXO A – Tela do PLC (Allen Bradley) com o sistema de supervisão SCADA da planta de
biogás (foto tirada por Costa Junior, em 12 de fevereiro de 2010)...........................................93
ANEXO B – Tela do PLC (Allen Bradley) com o sistema de supervisão SCADA da planta de
biogás (foto tirada por Costa Junior em 23 de janeiro de 2012)...............................................94
ANEXO C – Esquema da planta de biogás do Aterro Sanitário Bandeirantes.........................95
ANEXO D – Detalhes construtivos da PAFC de 400 kW fabricada pela UTC Power.............96
15
1 INTRODUÇÃO
Fontes energéticas são recursos fundamentais e um dos principais fatores geradores de
crescimento e desenvolvimento econômico em uma nação. No caso de países como o Brasil,
Rússia, Índia e China (BRIC), com grandes dimensões territoriais e/ou populações, este fator
é crítico do ponto de vista da estabilidade industrial/comercial, pois as consequências da
escassez energética afetam de modo amplamente restritivo os mais diversos setores de uma
sociedade.
Usinas são construídas para atender a demanda, como no caso da China, com a maior
construção hidrelétrica do planeta, ou do Brasil, com a maior capacidade de geração existente.
Essas construções afetam toda uma cadeia de vida e alteram significativamente o ambiente de
espécies nativas, causando prejuízos ambientais irreparáveis.
Historicamente, a utilização sistemática de energia não renovável tem levado a uma
redução drástica dos recursos naturais do planeta como um todo. Desta forma, o
desenvolvimento sustentável torna-se um processo de vital importância no que diz respeito
não apenas à qualidade de vida da população, mas sobretudo, no que tange à problemática
ambiental.
Neste contexto, uma das grandes preocupações dos países em desenvolvimento é a
destinação final do lixo urbano ou Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), o que na grande maioria
das vezes é depositado em aterros a céu-aberto ou aterros sanitários, criando transtornos para
as cidades. De modo geral, estes aterros geram gases de efeito estufa (biogás) devido à
degradação dos resíduos orgânicos contidos no lixo.
No entanto, é possível aproveitar o biogás do lixo para a geração de energia elétrica e
ao mesmo tempo reduzir as emissões de gases de efeito estufa, utilizando usinas termelétricas
a partir do biogás de aterros sanitários, como é o caso da Usina Termelétrica do Aterro
Bandeirantes (UTEB) e da Usina Termelétrica do Aterro São João, ambas em pleno
funcionamento e instaladas no município de São Paulo/SP.
Esta pesquisa tem como objetivo geral fazer um estudo entre a situação atual de
geração de energia elétrica da UTEB com a aplicação de motogeradores e queimadores de
biogás do tipo flare, comparando com a possível utilização da nova tecnologia de células a
combustível e queimadores registradores de biogás a baixa vazão (QRBBV).
16
Para os objetivos específicos da pesquisa, verificou-se:
•
Os custos envolvidos na construção da UTEB, a qual utiliza uma planta de captura e
tratamento do biogás e uma planta de geração de energia com uso de motogeradores.
•
O dimensionamento de uma planta de energia a partir da tecnologia de células a
combustível adaptada para operar com o biogás de aterro sanitário, envolvendo um
sistema de filtragem e reforma do biogás.
•
O dimensionamento de um sistema de queimadores do tipo QRBBV.
•
Os efeitos ambientais do projeto atual de geração de energia a partir da tecnologia
motogerador com os efeitos ambientais da aplicação da tecnologia de células a
combustível.
•
Por último, avaliar a relação custo/benefício das duas técnicas de geração de energia:
tecnologia motogerador e células a combustível.
1.1 Justificativa
Uma das questões mais importantes da atualidade tem sido a busca de fontes
alternativas de energias limpas e renováveis. A questão levantada é de como aproveitar o
biogás produzido do lixo urbano (resíduos sólidos urbanos ou RSU) depositado em aterros
sanitários para a geração de energia dentro do contexto da sustentabilidade econômica e
ecológica, utilizando tecnologias ecoeficientes.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo fazer um estudo comparativo entre a situação atual do
aterro Bandeirantes que utiliza a tecnologia de geração de energia baseada em grupos
motogeradores do tipo ciclo Otto e queimadores do tipo flare, com a possibilidade de
utilização da mais recente tecnologia de células a combustível, a qual em princípio possui
melhor eficiência de geração de energia, e da tecnologia QRBBV.
1.3 Metodologia
Trata-se de uma pesquisa exploratória, com abordagem quantitativa. Como fonte de
17
dados foi utilizado questionários, índices e relatórios e dados secundários. A análise destes
dados empregou métodos de comparação do atual projeto da UTEB com cenários simulados
utilizando tecnologias ecoeficientes.
O estudo foi elaborado a partir das seguintes etapas:
•
Análise do problema, revisão da literatura, estado da arte e requisitos;
•
Análise das tecnologias de células a combustível;
•
Modelagem de uma planta de energia utilizando células a combustível aplicada no
caso da UTEB
•
Modelagem de um sistema de queimadores do tipo QRBBV;
•
Análise dos resultados obtidos, considerações e conclusão final.
1.4 Estrutura do trabalho
Este trabalho foi organizado em cinco capítulos.
O primeiro é uma introdução aos aspectos mais relevantes, ou seja: a geração de
energia a partir do biogás de aterros sanitários, a justificativa da pesquisa, os objetivos, a
metodologia adotada e a estrutura do trabalho.
No segundo capítulo é apresentada a revisão bibliográfica e o estado da arte da UTEB.
No terceiro capítulo é detalhada a metodologia empregada na pesquisa.
Os resultados são apresentados no quarto capítulo e, em seguida, são analisados e
discutidos os resultados obtidos.
No quinto capítulo e apresentada a conclusão final e sugestões de novas pesquisas.
18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo apresenta o estado da arte na área de geração e queima de biogás,
incluindo as principais tecnologias e técnicas em voga no setor. É apresentada também uma
discussão comparativa sobre as vantagens e desvantagens de algumas destas tecnologias no
contexto desta pesquisa.
2.1 Estado da arte de aterros sanitários municipais
Aterros sanitários são locais ambientalmente adequados de destinação final do lixo
urbano ou Resíduos Sólidos Urbanos (RSU). De acordo com a lei, os RSU são classificados
quanto a sua origem como composto pelos resíduos domiciliares e pelos resíduos de limpeza
urbana (BRASIL. LEI 12.305, 2010).
2.1.1 Modelo de aterro sanitário
De acordo com Ensinas (2003), o aterro constitui uma forma de destinação final do
lixo largamente utilizada nos dias atuais, em virtude de sua simplicidade de execução, seu
baixo custo e capacidade de absorção diária de grande quantidade de resíduos, quando
comparado às demais formas de tratamento do lixo.
Contudo existem fatores limitantes a essa prática como a redução da disponibilidade
de áreas próximas aos centros urbanos, os riscos ambientais associados à infiltração do
chorume – líquido percolado que escorre dos resíduos em degradação, e a emissão
descontrolada de biogás (ENSINAS, 2003)
Segundo o autor, a Figura 2.1 apresenta um esquema de um aterro sanitário com os
diversos sistemas de controle ambiental e as etapas de operação. Um aterro sanitário segue
normas técnicas de construção e deve apresentar drenagem de chorume, de biogás e de águas
superficiais, impermeabilização da base do terreno e camada de cobertura final. As etapas
básicas de operação são a chegada, pesagem e descarregamento do lixo na frente de descarga,
seguida da compactação e da cobertura do lixo depositado, preparando assim o terreno para
recebimento de uma nova camada de resíduos até que se atinja a cota final de projeto.
19
Fonte: D’ Almeida e Vilhena (2000), apud Ensinas (2003)
Figura 2.1 – Modelo de aterro sanitário
2.1.2 A geração de biogás nos aterros sanitários
Segundo Ensinas (2003), o biogás produzido em Aterros Sanitários pode ser definido
como sendo um subproduto da decomposição anaeróbica dos resíduos orgânicos por ação de
micro-organismos que os transformam em substâncias mais estáveis, basicamente água,
metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2) e gás sulfídrico (H2S), além de
parcelas menores de outros gases, conforme apresentado na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Composição básica do gás de aterro
Composição
Metano
Dióxido de Carbono
Nitrogênio
Oxigênio
Enxofre, Mercaptanas
Amônia
Hidrogênio
Monóxido de Carbono
Gases em menor concentração
Fonte: Tchobanoglous et al. apud Ensinas (2003)
Porcentagem (Base seca)
45-60
40-60
2-5
0,1-1,0
0-1,0
0,1-1,0
0-0,2
0-0,2
0,01-0,6
20
De acordo com Ensinas (2003) a decomposição bacteriana da matéria orgânica dos
resíduos de aterros sanitários, com a produção de chorume e gases, seguem fases distintas ao
longo do tempo, conforme segue abaixo:
I. Fase de ajuste inicial, onde a matéria orgânica é decomposta por bactérias aeróbicas
presentes no aterro e favorecido pela presença de ar junto à matéria orgânica enterrada.
II. Fase de transição, onde começa a decomposição anaeróbica devido à redução na taxa
de oxigênio consumida na fase I e os micro-organismos responsáveis pela conversão
da matéria orgânica em metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) iniciam a conversão
do material orgânico complexo em ácidos e outros subprodutos intermediários,
ocorrendo também uma queda no pH do chorume.
III. Fase ácida, onde é acelerada a produção de quantidades significativas de ácidos
orgânicos e quantidades menores de gás hidrogênio. Segundo o autor, esta fase ocorre
em três etapas, sendo a primeira a transformação enzimática (hidrólise) dos compostos
de maior peso molecular em compostos apropriados para uso como fonte de energia
pelos micro-organismos. A segunda etapa envolve a conversão dos compostos da
primeira etapa em outros de menor massa molecular (acidogênesis). Por último, ocorre
a formação principalmente de dióxido de carbono, além de outras transformações
químicas importantes no chorume, inclusive com a dissolução de metais pesados.
IV. Fase metanogênica, com predominância de micro-organismos anaeróbicos que
convertem o ácido acético e gás hidrogênio em CH 4 e CO2. A formação do metano e
dos ácidos ocorre simultaneamente, embora com redução na taxa de formação dos
ácidos.
V. Fase de maturação, ocorre após a fase metanogênica quando a maior parte da matéria
orgânica já foi biodegradada e convertida em CH 4 e CO2. Por este motivo é reduzida a
taxa de produção de gás metano embora outros materiais orgânicos de decomposição
lenta continuem a sua decomposição liberando um pequeno volume de biogás.
Pode-se fazer a estimativa de produção de biogás por meio de alguns modelos
matemáticos, dentre os quais Ensinas (2003) destaca:
•
Método de aproximação simples;
•
Método para países ou regiões específicas;
•
Metodologia para estimativa da quantidade de sólidos voláteis biodegradáveis
restantes no aterro;
21
•
Método de Decaimento de Primeira Ordem (MDPO).
2.1.3 Modelos de estimativa da geração de biogás
Conforme Van Elk (2007), vários métodos foram desenvolvidos para o cálculo de
estimativa de geração de biogás em aterros sanitários, e os mais conhecidos são os modelos
recomendados pelo Banco Mundial, pela Agência de Proteção Ambiental Americana (USEPA) e pelo Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC).
O modelo recomendado pelo Banco Mundial é simples e de fácil aplicação, sendo
baseado na premissa de que há uma fração constante de material biodegradável no aterro
sanitário por unidade de tempo (VAN ELK, 2007).
O modelo desenvolvido pela US-EPA (Agência de Proteção Ambiental Americana),
mais conhecido pelo nome Landifill Gas Emission Model (LandGEM), é empregado pelo
Ministério do Meio Ambiente no estudo do potencial de geração de energia nos municípios
brasileiros (VAN ELK, 2007). Esse método contabiliza quantidades e variações de gases na
vida de um aterro pela equação cinética de primeira ordem.
O modelo adotado pelo IPCC (1996) de cálculo mais simplificado e empregado na
estimativa de geração de biogás do aterro Bandeirantes (CDM-PDD, 2012), permite calcular a
quantidade anual de metano gerada em um aterro sanitário. Este método quando considera a
variável tempo é expresso pela Equação 1:
QT , x =k⋅R x⋅L 0⋅e−k(T− x)
(1)
Onde:
QT, x= quantidade de metano gerada no ano corrente T pelo lixo Rx (t/ano)
k = constante de geração de metano (1/ano)
Rx = quantidade de lixo depositada no ano x (t)
x = ano em que o lixo foi depositado
L0 = potencial de geração de metano em peso de resíduos (m3/t)
T = ano corrente de realização do inventário
De acordo com o PDD-0164 (CDM-PDD, 2012), executa-se uma soma considerando
todo o metano que será gerado por tonelada de resíduo, de acordo com o ano da deposição.
Dessa forma, a estimativa de emissões em um determinado período de anos é obtida pela
somatória das emissões anuais, conforme a Equação 2:
22
QT =∑ QT , x
(2)
Onde:
QT = quantidade total de metano a ser gerada no aterro durante um certo tempo.
De acordo com Van Elk (2007), os parâmetros L0 e k são comuns a todos os modelos e
considerados os mais importantes na precisão da estimativa, sendo que o parâmetro k é
afetado pelas condições de umidade, disponibilidade de nutrientes, pelo pH e pela
temperatura, e pode variar entre 0,003 a 0,21 ano-1, enquanto que L0 está associado à
quantidade de matéria orgânica presente na massa de resíduos, podendo variar de 1 m 3/h até
cerca de 312 m3/h, para aterros com pouca ou grande quantidade de matéria orgânica.
2.1.4 Viabilidade de produção de energia a partir do biogás de aterro sanitário
Segundo Salomon (2007), o potencial energético do biogás está em função da fração
de metano contida no gás que determina o seu poder calorífico, ou seja, o poder calorífico do
biogás é variável, estando na faixa de 22.500 a 25.000 kJ/m 3, admitindo o poder calorífico
inferior (PCI) do metano com cerca de 35.800 kJ/m 3. A Tabela 2.2 apresenta PCI de diferentes
gases combustíveis.
Tabela 2.2 – Poder Calorífico Inferior (PCI) de gases combustíveis
Gás
PCI (kcal/m³)
PCI (kJ/m³)
PCI (kW/m³)
Metano
Propano
Butano
Gás Natural
Biometano
8500
22000
28000
7600
5500
35558
92109
117230
31819
23027
9,877
25,586
32,564
8,839
6,396
Fonte: adaptado Salomon (2007)
O uso de biogás de aterro sanitário deverá ser precedido de estudos de viabilidade
técnico-econômica para se determinar o potencial de geração de biogás em função da
quantidade e da composição dos resíduos dispostos no aterro sanitário (MONTILHA, 2005).
De acordo com US-EPA apud Ensinas (2003), alguns fatores podem influenciar os
mecanismos de produção do biogás de aterro. A vaporização depende da pressão parcial e
concentração de componentes orgânicos, além da temperatura e da pressão do aterro. As
reações químicas dependem da composição do lixo e da temperatura. A decomposição
biológica depende da disponibilidade de nutrientes para as bactérias, da composição do lixo,
da idade, da umidade, da presença de oxigênio, da temperatura e do pH do lixo no aterro.
23
No entanto, em um aterro já formado pode-se determinar a capacidade de geração de
biogás através da instalação de drenos que possibilitem a execução do monitoramento, a fim
de se obter uma avaliação do potencial de geração, fazendo-se uma análise dos dados
coletados e extrapolando os resultados através de métodos estatísticos, para se estimar a
capacidade e o tempo de geração de biogás do aterro e a quantidade de MW de energia que
será gerada pela usina (MONTILHA, 2005).
Embora seja importante a realização de estudos e estimativas prévias de geração de
biogás, segundo o Instituto Brasileiro de Administração Municipal (2005 apud MONTILHA,
2005), para que o biogás possa ser explorado comercialmente o aterro sanitário deverá receber
no mínimo 200 toneladas por dia de resíduos, ter uma capacidade mínima de recepção da
ordem de 500.000 toneladas e altura mínima de carregamento de 10 m. Se tais condições não
forem atendidas o projeto energético seria inviável.
Se forem atendidas as condições mínimas acima, segundo Filho (2005 apud
FIQUEIREDO, 2007), a capacidade de um aterro gerar gás dependerá de muitos fatores,
dentre os quais a composição e idade dos resíduos, umidade, pH, tamanho das partículas,
temperatura e outros fatores físicos, químicos e operacionais do aterro. Essas condições
deverão ser observadas na fase de estimação do projeto energético do aterro.
De acordo com Van Elk (2007), a maior parte do território brasileiro possui um grande
potencial para a produção de biogás em aterros sanitários, devido às condições favoráveis de
umidade, temperatura e, principalmente, pela predominância de matéria orgânica nos resíduos
sólidos. Segundo esse autor, existe condições favoráveis para a geração de biogás e, portanto,
de geração de energia nos aterros sanitários brasileiros.
2.2 Estudo de caso do projeto de geração de energia do Aterro Sanitário Bandeirantes
Segundo Justi e Moliterno (2008), a cidade de São Paulo possui dois dos maiores
aterros sanitários da América latina: o Aterro Sanitário Bandeirantes (ASB), e o Aterro
Sanitário do Sítio São João. Esse estudo de caso foi realizado no ASB.
2.2.1 Formação do Aterro Sanitário Bandeirantes
De acordo com Justi e Moliterno (2008), o ASB pertence à Prefeitura Municipal de
24
São Paulo e foi construído em 1979 com a principal finalidade de disposição de resíduos
sólidos urbano (RSU), que fundamentado em critérios de engenharia e normas operacionais
específicas, como a norma NBR 8419, permite a confinação segura dos resíduos em termos de
controle de poluição ambiental, proteção à saúde pública e redução de impactos ambientais. A
planta do ASB é apresentada na Figura 2.2
Fonte: adaptado Ensinas (2003)
Figura 2.2 – Planta do Aterro Sanitário Bandeirantes
Conforme o Project Design Document (documento de concepção do projeto, ou PDD)
do projeto de geração de energia de gás de aterro do ASB (CDM-PDD, 2012), o aterro está
localizado na região metropolitana de São Paulo, no bairro de Perus, e ocupa uma área de
cerca de 1,35 milhões de m2, que é dividida em 5 subáreas, designadas AS-1, AS-2, AS3, AS4 e AS-5.
De acordo com dados da empresa Biogás Energia Ambiental S/A (BIOGÁS, 2012),
concessionária que explora o gás do ASB, o aterro recebeu em média 7 mil toneladas de
resíduos por dia e armazenou um total de 30 milhões de toneladas de lixo desde 1976 até
2007, quando foi encerrado.
2.2.2 Captação do biogás do Aterro Sanitário Bandeirantes
Para a retirada do gás produzido pela decomposição dos resíduos do aterro, foram
instalados pela Biogás 43 km de tubos de PEAD (polietileno de alta densidade) conectados a
250 drenos verticais (poços), além dos equipamentos necessários para a sucção, secagem e
queima do gás excedente instalados na planta de gás (BIOGÁS, 2012).
25
O biogás extraído dos poços é conduzido pelos tubos de PEAD, os quais são
interligados no sistema de controle de vazão por pressão negativa até a planta de tratamento,
onde é feita a desumidificação, purificação, o controle da vazão, medições e registro dos
parâmetros de produção do aterro. A Figura 2.3 mostra detalhes dos equipamentos de extração
de gás instalados no aterro.
Fonte: Aterro Bandeirantes (COSTA JUNIOR, 2010)
Figura 2.3 – Equipamentos de coleta e controle de vazão de biogás do ASB
2.2.3 Planta de captura e tratamento de biogás
De acordo com o 17th Monitoring Report (CDM-MR, 2006-), a planta de captura e
tratamento de biogás (PCTB) é responsável por extrair o gás do aterro e transportá-lo para a
planta de geração de energia. Durante este percurso, o gás passa por processos de tratamento
para que possa ser transformado em combustível e utilizado na planta de energia. No Anexo C
é apresentado o esquema da PCTB.
Conforme Just e Moliterno (2008), a planta de biogás é composta pela seguinte
estrutura de equipamentos:
•
Trocador de Calor: O gás proveniente do aterro chega com variação de temperatura
de 25°C a 40°C e elevada umidade. Os quatro Trocadores de Calor condensam a
umidade do gás, tornando-o seco e utilizam uma mistura de água e monoetilenoglicol
(MEG) (84% e 16% respectivamente) como fluído frio, a qual circula a uma vazão
média de 56,9 m3/h por um sistema fechado de tubulações por bombas entre o
Trocador de Calor e o Resfriador.
•
Chiller ou Resfriador: Este equipamento refrigera o fluído frio, oriundo dos
26
Trocadores de Calor, para que a remoção de umidade seja contínua. O Chiller, através
de compressores, comprime o gás Freon R22 (Du Pont), que depois de comprimido e
resfriado, o ar se expande, reduzindo a temperatura do biogás. Com o Freon R22 em
baixas temperaturas, ocorre a troca térmica do gás com uma superfície de contato onde
passa a mistura dos trocadores de calor e resfriando a mistura de água com o
monoetilenoglicol a temperaturas próximas de 0°C.
•
Torre de Resfriamento: Auxilia no sistema de resfriamento do R22 do Chiller, que
passa a não ser somente a ar, e sim a um sistema integrado de ar e água quando há
necessidade. A água possui melhor troca térmica do que o ar, aumentando o
rendimento do sistema. A água quente proveniente da troca térmica para refrigeração
do R22 volta para a Torre, que possui um sistema de resfriamento a ar. O uso do
monoelilenoglicol possibilita a redução da temperatura de fusão da mistura,
trabalhando a menos de 0°C sem congelamento. A temperatura de chegada da mistura
refrigerante após a troca térmica é de cerca de 5°C.
•
Blowers ou Sopradores: São equipamentos responsáveis por trazer o gás do aterro
até a usina de captação através de pressão negativa. A planta possui quatro Sopradores,
com capacidade nominal de vazão de 4.250 Nm3/h, e temperatura de saída do gás de
55°C. Cada Soprador possui um sistema de um compressor e dois vasos silenciadores
que possibilitam a criação do vácuo na entrada e pressão do gás na saída do
equipamento. Quando o gás passa pelo Soprador, ele é o fluído frio responsável pela
sua refrigeração.
•
Flares ou Queimadores: A produção excedente à demanda de biogás para geração de
energia ou quando a planta de energia está em manutenção é queimada em dois
Queimadores idênticos (flares) do tipo enclausurado, com capacidade para 2.500 m3/h
cada um, a uma temperatura superior a 1.200°C.
•
Analisador de Gases:
Para manter a estabilidade da planta de energia e não
prejudicar os motogeradores, o biogás deve apresentar concentração de CH 4 entre 45 a
55% e a concentração do O2 não deve ultrapassar 2%. Esta é a finalidade do
Analisador de Gases, que permite, em tempo real, verificar a concentração desses
gases. Se a concentração de metano atingir valores inferiores a 45% ou superiores a
55% e o oxigênio acima de 2,50%, um alarme é acionado no painel do analisador,
indicando que haverá queda dos motogeradores por desconformidade na concentração
27
de gases. O analisador de gases é calibrado semanalmente, a fim de garantir exatidão
nas leituras.
•
Flow-Meters ou Medidores de Vazão: Há sete medidores do tipo turbina instalados
nas tubulações principais e nos pontos de entrega de gás à planta de energia
(Biogeração). Eles registram a quantidade de biogás captado e que será destruído, seja
nos flares ou motogeradores. Com as variações de pressão e temperatura do gás, as
medidas se tornam imprecisas, havendo a necessidade de corrigir o volume de modo a
torná-lo constante. Para isso, é transformado o volume lido para volume Normal
(Nm3). Para a normalização da medição da vazão em normal metro cúbico por
segundo (Nm3/s) na CNTP recomendadas pela Internacional Union of Pure and
Applied Chemistry, foi usado um fator de correção de acordo com a pressão e
temperatura do gás coletado no local através da Equação 3:
Q=(V ×A)×
273,15
×P
273,15+T
(3)
Onde:
Q : vazão de biogás (Nm3/s)
V: velocidade do biogás no medidor de vazão (m/s)
A: área da seção de passagem do fluido (m2)
T: temperatura do biogás no medidor (°C)
P: pressão atmosférica (bar)
Os dados de temperatura e pressão são coletados no próprio medidor de vazão. Outro
dispositivo acoplado ao medidor de vazão é um corretor de volume, que com os dados de
temperatura e pressão calcula e transforma o volume automaticamente para Nm 3. O corretor
de volume oferece também dados de vazão calculada, volume totalizado, temperatura e
pressão. Esses equipamentos estão instalados em pontos estratégicos da planta onde há
divisão de vazão, entrada para a usina termelétrica e para os flares (detalhes no Anexo C).
•
Controlador Lógico Programável ou PLC: O controle automático de funcionamento
da planta de captura e tratamento de biogás é feito via PLC (Programmable Logical
Controller – Controlador Lógico Programável), que é um equipamento eletrônico
digital que recebe e registram os dados de produção da planta a cada 5 minutos,
calcula a média a cada hora e, ao final do dia, o PLC registra os dados totalizados de
produção de acordo com o funcionamento da usina.
28
De acordo com o 17th Monitoring Report (CDM-MR, 2006-), todos os sinais de
medidas da planta são processados pelo PLC e enviados sinais de saída para o controle
automático dos refrigeradores, sopradores, flares e equipamentos de gás. O PLC opera com
um sistema de supervisão e aquisição de dados (SCADA – Supervisory Control And Data
Acquisition). Com esse sistema é possível o controle automático e monitoramento da planta à
distância, inclusive pela internet, embora essa funcionalidade esteja desligada por motivo de
segurança. Para cada parâmetro operacionalmente monitorado pelo PLC, é realizada uma
rotina de leitura, transmissão e registro no HD do Sistema Supervisório. Nos Anexos A e B
são apresentadas as fotos da tela do PLC tiradas nas visitas ao aterro Bandeirantes em
fevereiro de 2010 e janeiro de 2012.
2.2.4 Planta de geração de energia elétrica
Segundo Just e Moliterno (2008), a Usina Termelétrica Bandeirantes (UTEB) foi inaugurada oficialmente em 25 de janeiro de 2004, na comemoração dos 450 anos da cidade de
São Paulo, graças a uma parceria entre a Biogás Energia Ambiental S/A e a Biogeração/Unibanco, que por sua vez contratou a empresa Sotreq, representante da Caterpillar no Brasil, a
fim de realizar a operação e manutenção (M&O) dos motogeradores da UTEB.
Para a geração de eletricidade, um total de 24 motogeradores Caterpillar, modelo
3516-A (925 kW em 480V) foram instalados na planta de energia da usina. Esses motogeradores queimam o gás de aterro tratado e geram eletricidade, que é enviada para a rede elétrica
através da subestação de Perus, interligada na rede da companhia de distribuição de energia
Eletropaulo (hoje designada AES Eletropaulo) (CDM-PDD, 2012).
A usina tem capacidade máxima de geração de 22,2 MWh, com os 24 motogeradores a
plena carga, os quais são separados em dois barramentos independentes de geração (A e B) e
em duas alas independentes, cada qual com 12 conjuntos de motogeradores. De acordo com a
Biogás, a configuração da UTEB em duas alas totalmente separadas permite a manutenção e
operação de forma segura da planta de energia.
Segundo Just e Moliterno (2008), cada motogerador consome em média 530 m 3/h de
biogás a 50% de CH4, podendo variar o consumo de acordo com a concentração de metano no
biogás, chegando a 480 Nm3/h de biogás a 55% de CH4. A cada hora a Biogás envia aproxi-
29
madamente 12.500 Nm3 de biogás aos conjuntos motogeradores da usina, a 50% de CH 4. Na
Figura 2.4 é apresentado o esquema da planta de energia.
Fonte: adaptado acervo Biogás
Figura 2.4 – Esquema da Planta de Energia da Usina Termelétrica Bandeirantes
O gás excedente, ou que não tem condições de ser utilizado por alguma razão adversa,
é queimado nos flares, que pertence a Biogás. A planta de energia tem capacidade de abastecer uma cidade de 350 mil habitantes. A Figura 2.5 apresenta o diagrama geral do projeto
Bandeirantes de Geração de Energia (CDM-PDD, 2012).
30
Fonte: (CDM-PDD, 2012)
Figura 2.5 – Esquema geral do Projeto Bandeirantes de Geração de Energia
2.3 Estado da arte das tecnologias no uso do biogás
Neste ponto serão apresentadas as principais tecnologias empregadas no setor de energia usando o biogás, tanto na geração de energia elétrica, quanto na captura e tratamento do
biogás.
2.3.1 Tecnologias de geração de energia a partir do biogás
As tecnologias convencionais para a transformação energética do biogás são as
turbinas a gás e os motores de combustão interna. Existem também tecnologias emergentes
como as células a combustível, ainda em fase de desenvolvimento e aperfeiçoamento, e que
podem ser consideradas uma tecnologia promissora (CASTRO, 2006 apud FIGUEIREDO,
31
2007).
A escolha da tecnologia de geração de energia mais adequada para uso de biogás em
aterros sanitários dependerá de diversos fatores, dentre os quais a capacidade de geração, o
custo, a eficiência energética, a emissão de gases poluentes, entre outros fatores.
a) Caldeiras
Conforme Salomon (2007), algumas considerações devem ser feitas para a combustão
direta do gás em caldeiras, a fim de assegurar o funcionamento adequado do sistema. A
adaptação desses equipamentos para uso do biogás pode ser realizada com pequenas
modificações, buscando a adequação às características do novo combustível.
De acordo com o autor, os níveis de umidade do gás devem ser controlados com a
instalação de purgadores e linhas de condensado para impedir danos aos equipamentos e
problemas na operação das caldeiras. Além disso, a vazão de gás deve ser aumentada com a
instalação de uma válvula de controle do combustível mais adequada, devido à menor fração
de metano no biogás que no gás natural, portanto, sendo necessária uma maior quantidade de
gás.
Outro fator é a instabilidade da chama em função da composição e vazão do biogás e
que pode ser controlado com a instalação de sensores ultravioletas que monitoram a chama da
caldeira impedindo que esta apague, com o uso de um sistema de combustível auxiliar de
back-up em situações de variação da chama (US-EPA apud SALOMON, 2007).
A corrosão devido à umidade e o ácido sulfídrico presente no biogás é outro problema
nas caldeiras que usam este gás combustível, uma vez que compostos de cloro nos gases de
exaustão comprometem pré-aquecedores de ar, dutos e outros componentes do equipamento.
Porém, o revestimento do pré-aquecedor e da chaminé com material anticorrosivo, o controle
da temperatura dos gases de exaustão acima do ponto de orvalho e a circulação adequada da
água podem reduzir os efeitos corrosivos. (US-EPA apud SALOMON, 2007).
b) Motogeradores de motor de combustão interna
Motogeradores empregando motor de combustão interna do tipo ciclo Otto é a
alternativa mais utilizada no aproveitamento de gases de aterros sanitários, devido ao seu
baixo custo e facilidade de operação e manutenção. Essa tecnologia de geradores é indicada
para projetos em aterros com potencial de geração acima de 800 kW (US-EPA apud
ENSINAS, 2003).
De acordo com Salomon (2007), os motores de combustão interna são máquinas
32
térmicas nas quais a energia química do combustível se transforma em trabalho mecânico,
sendo que nos motores de ciclo Otto, a mistura ar/combustível é admitida na câmara de
combustão e inflamada por meio de uma vela de ignição.
Segundo Ensinas (2003), outra vantagem desses equipamentos é a flexibilidade na
implantação do sistema de geração, que pode ser inicialmente de pequeno porte e ampliado
gradativamente com o aumento da quantidade de gás produzido ao longo da vida útil do aterro
e depois desativados, vendidos e/ou transferidos para outros aterros, reduzindo o custo de
Manutenção e Operação (M&O) da planta geradora quando não tiver mais gás.
Atualmente os motores de combustão interna já vem preparados para queimar o biogás
com diferentes teores de metano, dióxido de carbono e ácido sulfídrico. Os conjuntos
motogeradores de energia elétrica representam um importante avanço na geração de energia
elétrica limpa e renovável, a partir do biogás (SALOMON, 2007).
c) Turbinas a gás
As turbinas a gás são utilizados em grandes aterros sanitários, com geração de 3 a 4
MW no mínimo (US-EPA apud ENSINAS, 2003), incrementando a eficiência do sistema de
acordo com a escala do projeto e sendo uma alternativa mais adequada para grandes plantas
de geração.
Segundo a US-EPA apud Ensinas (2003), eficiências de geração de até 40% são
alcançadas quando são utilizadas plantas de ciclo-combinado, com a recuperação do calor
perdido. No entanto, esses equipamentos têm eficiência bem reduzida quando trabalham em
carga parcial. Uma vantagem dessas turbinas é a maior resistência à corrosão quando
comparadas aos motores de combustão interna, além dos custos mais baixos de O&M.
d) Microturbinas a gás
De acordo com Ensinas (2003) as microturbinas são equipamentos mais recentes e
menos empregados no aproveitamento de gás de aterro. Suas aplicações são geralmente em
projetos de pequeno porte com menos de 1 MW de potência, atendendo à demanda de
eletricidade do próprio aterro ou de locais próximos.
Segundo Ensinas (2003), por serem equipamentos de pequeno porte as microturbinas
podem ser transferidas para outros locais sem grandes dificuldades quando diminuir a
produção de gás do aterro, reduzindo desta forma o custo de O&M da planta de energia.
Outra possibilidade de utilização das microturbinas é sua utilização em aterros de
grande porte para aproveitamento da produção de gás excedente quando o aterro está no seu
33
auge, ao invés de ser queimado nos flares (ENSINAS, 2003). Desta forma, as microturbinas
incrementariam a geração de energia sem a necessidade de grandes investimentos.
e) Células a combustível
Conforme Cadavid Pérez (2004), a célula a combustível (CaC) é um dispositivo que
transforma a energia química do hidrogênio gasoso (H2) em energia elétrica e térmica, através
de um processo de oxidação eletroquímico. O autor destaca que o princípio fundamental da
operação é a reação inversa da eletrólise da água, e que uma CaC é constituída de um ânodo,
cátodo e um eletrólito, dispostos apropriadamente, conforme a Figura 2.6.
Fonte: adaptado (CADAVID PÉREZ, 2007)
Figura 2.6 – Célula a combustível tipo PEMFC ou PAFC
De acordo com Cadavid Pérez (2004), os gases de alimentação da célula são
introduzidos e distribuídos por canais de fluxo, impressos nas placas coletoras de corrente,
geralmente construídas de grafite. O hidrogênio é alimentado no compartimento anódico e
entra em contato com o ânodo contendo platina, ocorrendo a catálise que facilita a separação
do H2 em elétrons e prótons (íons de H2).
Segundo o autor, em uma CaC do tipo PEMFC (Proton Exchange Membane Fuel Cell
– célula a combustível de membrana polimérica) ou em uma PAFC (Phosphoric Acid Fuel
Cell – célula a combustível de ácido fosfórico), os íons de hidrogênio passam através do
34
eletrólito e, novamente, com o auxílio da platina, se combinam tanto com o oxigênio como
com os elétrons, junto ao cátodo, produzindo água. O oxigênio disponível no cátodo é
resultante da alimentação de ar no compartimento catódico. Os elétrons não atravessam o
eletrólito, deslocando-se do ânodo para o cátodo através de uma carga elétrica externa.
Conforme Cadavid Pérez (2004), as pilhas a combustível (conjunto de CaC) podem
ser classificadas de diversas maneiras, de acordo com as características das células que as
compõem, considerando-se o tipo de eletrólito, a temperatura de operação e o tipo de
composto de alimentação ao sistema. A classificação quanto ao tipo de eletrólito utilizado é a
mais usual, conforme segue abaixo:
•
célula a combustível alcalina – AFC;
•
célula a combustível de membrana polimérica – PEMFC;
•
célula a combustível de ácido fosfórico – PAFC;
•
célula a combustível de carbonato fundido – MCFC;
•
célula a combustível de óxido sólido – SOFC;
As CaC operam à diferentes temperaturas que depende do tipo de eletrólito utilizado.
As principais características dos cinco tipos de CaC estão na Tabela 2.3 e os seus principais
aspectos técnicos são apresentados na Tabela 2.4.
Tabela 2.3 – Características operacionais das células a combustível
Células a
combustível
Membrana
Polimérica PEMFC
eletrólito
Temp. de
Operação (°C)
Polímero orgânico de poli
(ácido perfluorosulfônico)
60-100
Solução aquosa de hidróxido
de potássio
90-100
Ácido fosfórico líquido
175-200
Carbonato Fundido
MCFC
Solução fundida de lítio,
sódio e carbonato de potácio
600-700
Óxido Sólido SOFC
Óxido de zircônio com
pequena quantidade de ítrio
900-100
Alcalina AFC
Ácido Fosfórico
PAFC
Fonte: Thomas e Zalbowitz apud Cadavid Pérez (2004)
Reações
Ânodo: H2 → 2H++2eCátodo: ½O2+2H++2e- → H2O
Célula: H2+ ½O2 → H2O
Ânodo: H2+2(OH)- → 2H2O+2eCátodo: ½O2+H2O+2e- → 2(OH)Célula: H2+ ½O2 → H2O
Ânodo: H2 →2H++2eCátodo: ½O2+2H++2e-→H2O
Célula: H2+ ½O2→H2O
Ânodo: H2+CO32- → 2H2O+CO2+2eCátodo: ½O2+CO2 +2e-→ CO32Célula: H2+ ½O2+CO2 → H2O+CO2
Ânodo: H2 +O2- → H2O+2eCátodo: ½O2+2e-→ O2Célula: H2+ ½O2→H2O
35
Tabela 2.4 – Aspectos técnicos das células a combustível
Células a
combustível
Eficiência Densidade Potência Aplicação Custo
elétrica real de potência projetada projetada projetado
(%)
(mW/cm2)
(kW)
(kW)
(US$/kW)
(Atual/Proj.) (Atual/Proj.)
Membrana
Polimérica
45/50
350/(>600)
1-1.000
>40.000
>200
Alcalina
40/50
(100-200)/
(>300)
10-100
>10.000
>200
Ácido Fosfórico
40/45
200/250
100-500
>40.000
>1.000
>40.000
>1.000
>40.000
>1.500
Carbonato
Fundido
45/(50-60)
100/200
1.000100.000
Óxido Sólido
45/(50-60)
240/300
100100.000
Aplicações
Espaço 1960
Transporte 1996
Submarino 1996
Portátil 2004
Espaço 1960
Transporte 1996
Estacionária 1996
Sistemas integrados
de energia 1992
Co-geração e ger.
Energia 1996
Co-ger./ger. de
energia 2000
Espac. E Terr. 2010
Fonte: Cadavid Pérez (2004)
De acordo com Cobas e Lora (2007), as células a combustível apresentam elevadas
eficiências de conversão e são consideradas tecnologias limpas, se funcionarem com
hidrogênio, no entanto, como o hidrogênio não se encontra disponível em grandes
quantidades é necessário produzi-lo a partir da reforma a vapor de combustíveis fósseis.
Conforme Cadavid Pérez (2004), uma fonte importante de hidrogênio é obtida do
biogás de aterro sanitário, que possui CH 4, CO2, N2, O2, além de outros compostos, que apesar
de estarem em baixas proporções, originam grandes problemas quando do seu
aproveitamento. Por esse motivo, o biogás de aterro sanitário deve passar por uma unidade de
pré-tratamento de gás (UPG) antes de ser utilizado como fonte de hidrogênio em uma célula a
combustível.
Conforme Cadavid Pérez (2004), um sistema UPG utiliza processos de remoção de
compostos orgânicos, remoção de cloro e enxofre, além de remoção de resíduos particulados e
umidade. Um diagrama de sistema completo UPG é apresentado na Figura 2.7.
36
Fonte: adaptado (CADAVID PÉREZ, 2004)
Figura 2.7 – Sistema de pré-tratamento de biogás de aterro
Cadavid Pérez (2004) destaca que o biogás de aterro sanitário pré-tratado descrito
anteriormente, é uma fonte ideal de H 2 devido à elevada razão H/C, e é considerado o melhor
combustível primário conhecido para as células a combustível. Porém, em uma unidade
geradora PAFC, o biogás deve passar por um sistema geralmente constituído por três
processos químicos fundamentais:
•
dessulfuração;
•
reforma a vapor ou reforma catalítica e;
•
processo de conversão do CO em CO2.
O processo dessulfuração é necessário para remover eventuais resíduos de enxofre (S)
presentes no gás, devido a esse composto causar intenso envenenamento do catalizador do
reformador. O processo consiste em preaquecer o biogás e adicionar hidrogênio reciclado para
promover a formação do gás sulfídrico (H 2S), que é facilmente removido pela reação com o
óxido de zinco (CADAVID PÉREZ, 2004).
O gás já livre da maior parte do enxofre é então reaquecido acima de 500°C e injetado
à pressão entre 0 e 10 kg/cm2 no reformador juntamente com o vapor de água, passando por
um leito catalítico formado por determinados metais (Níquel) que ajudam na reação entre os
compostos e libera o H2 e CO dos átomos de CH4.
37
Na etapa final o CO é convertido em CO 2 através da reação water-gas shift que
consiste em saturar de H2O a atmosfera interna do reformador para que seja deslocado o
equilíbrio da reação no sentido da formação de CO 2 e H2 (CLARKE el al,, 1997 e OSAKI e
MORI, 2001 apud CADAVID PÉREZ, 2004).
Segundo Cadavid Pérez (2004) para que esse gás possa alimentar uma célula a
combustível PAFC, é necessário fazer uma conversão mais completa possível do CO em CO 2
para evitar o envenenamento dos eletrocatalizadores dos eletrodos da CaC. Esse processo
consiste no resfriamento do gás reformado (H2+CO) para que possa abastecer os conversores
de CO do primeiro e do segundo estágio do reformador.
Após a etapa da conversão, o gás é resfriado em um condensador de vapor para
remover o excesso de água e então passa a suprir as pilhas a combustível. Esse gás em termos
de proporção molar é composto por 80% de gás hidrogênio e 20% de dióxido de carbono (%
em massa), embora o autor destaque que na prática, metano residual, monóxido de carbono,
vapor de água e certas impurezas também estão presentes.
Na Figura 2.8 é apresentado o diagrama em blocos do conjunto formado pela unidade
de pré-tratamento de biogás (UPG), reformador de biogás e unidade geradora PAFC.
Fonte: (LUNGHI et al., 2004, apud CADAVID PÉREZ, 2004)
Figura 2.8 – Diagrama da UPG, reformador e PAFC
De acordo com Cadavid Pérez (2004), as células a combustível do tipo PAFC estão
sendo pesquisadas desde a década de 60 nos EUA, contando com programas de
desenvolvimento e produção de unidades geradoras PAFC para testes desse equipamento em
diversas aplicações práticas.
38
No ano de 1992 a empresa UTC desenvolveu a unidade geradora PC200 TM de 200 kW
com tecnologia PAFC de célula a combustível, representando a primeira geração desses
equipamentos, como resultado de cerca de US$ 200 milhões em pesquisa e desenvolvimento e
20 anos de esforços. Uma unidade geradora PAFC completa é composta por quatro
subsistemas principais: unidade para processamento de combustível (reformador), conjunto de
células a combustível PAFC (pilha a combustível), inversor de corrente e sistema de
recuperação de calor (CADAVID PÉREZ, 2004).
De acordo com Negro (2004), a tecnologia de CaC ainda é objeto de intensa pesquisa
e desenvolvimento, e embora os custos iniciais a princípio sejam elevados, são esperadas
reduções de custos significativas quando forem levados em consideração as amortizações, o
aumento do número de pedidos, as reduções de gastos com mão de obra e de custo de
materiais como também os efeitos de aprendizado da produção em massa.
Negro (2004) em sua pesquisa aplicou a sistemática de levantamento de custos
considerada no estudo de Mugerwa (MUG, 1993, apud NEGRO, 2004), que estima o custo
dos sistemas de células a combustível em função do aumento do número de unidades
produzidas. De acordo com o autor, essa sistemática também admite a hipótese de que quanto
maior a potência de um sistema de células a combustível, menor o número de unidades
produzidas, e que o número de unidades fabricadas é, obviamente, uma função do tamanho do
sistema.
Os custos de instalação de uma planta de CaC são: custo da empresa de engenharia
para elaboração do projeto, construção e partida; estação de produção de H 2; empilhamento de
CaC e inversor de corrente; reduções de custo para os componentes principais dos sistemas de
CaC em função da curva de aprendizado e da escala de produção (NEGRO, 2004). Na Tabela
2.5 são apresentados os custos (U$) de um sistema de células do tipo PAFC para a produção
em pequeno volume (PPV) e grande volume (PGV).
39
Tabela 2.5 – Relação de custos de uma unidade geradora baseada em PAFC de 250 kW
Item
Reformador
Célula a combustível
Tubulações
Instrumentos
Inversor
Isolamento elétrico
Engenharia
Subtotal
Soma de subtotais
Lucro e comissões
TOTAL
Custo por KW instalado
PPV
Material
Construção
Material
140.400
87.500
42.000
89.775
81.250
36.000
476.925
652.655
32.635
685.290
2.440
11.700
11.700
54.190
27.800
5.690
32.150
32.150
175.730
-
98.350
62.500
31.500
55.800
62.500
30.000
340.650
437.475
8.750
446.125
1.590
PGV
Construção
10.400
10.400
31.500
16.150
4.375
18.700
5.200
96.725
-
Fonte: adaptado Negro (2004)
2.3.2 Tecnologias de limpeza do biogás
Após a coleta e antes da utilização no processo de conversão de energia, o biogás é
tratado para a remoção de algum condensado residual, assim como particulados e impurezas
em geral. O tratamento final dependerá da tecnologia de geração de energia utilizada,
podendo ser mínimo no caso de caldeiras ou até a purificação e retirada total do CO 2, no caso
de gasoduto de metano combustível. Geralmente são utilizados filtros para a remoção de
impurezas, visto que estas podem danificar os componentes do motor ou da turbina, reduzindo
a eficiência do sistema (TOLMASQUIM, 2003 apud FIGUEIREDO, 2007).
Segundo Salomon (2007), o biogás é um gás corrosivo, exigindo cuidados especiais
com os materiais empregados nos equipamentos utilizados. Esta característica é consequência
da presença de sulfeto de hidrogênio (ácido sulfúrico – H 2S). Essas substâncias contendo
enxofre e consideradas poluentes do ar podem ser classificadas da seguinte forma: SO2, SO3,
H2S, sulfatos. Conforme a Resolução CONAMA n° 3, de 28/06/1990 (apud Salomon, 2007),
no Brasil existem limites somente para o dióxido de enxofre (SO 2) (Padrão primário – 365
µg/m3 e Padrão secundário – 100 µg/m3 em 24 horas), também considerado como produto da
combustão do biogás e nocivos à saúde. A amônia presente no biogás em baixas
concentrações também é corrosiva para o cobre, podendo emitir na combustão óxidos de
nitrogênio, considerados nocivos à saúde e ao meio ambiente.
Outro efeito indesejado da presença de substâncias não combustíveis, como a água e o
dióxido de carbono, é que estas prejudicam o processo de queima, tornando-o menos eficiente
e absorvendo parte da energia gerada (SALOMON, 2007). Além disto, o gás sulfídrico pode
40
acarretar a corrosão dos motores, diminuindo tanto o rendimento quanto à vida útil. Segundo
a autora, dependendo da aplicação é recomendável a purificação do biogás para remoção do
H2S, CO2 e umidade, por meio das técnicas detalhadas a seguir:
•
Remoção de umidade: Dependendo da utilização final do gás, a retirada da umidade
pode ser feita com glicóis, com sílica gel, etc.
•
Remoção de dióxido de carbono (CO2): Existe uma variedade de processos de
remoção do CO2 presente no biogás, entre eles: absorção física e química, adsorção
em uma superfície contínua, separação por membranas, separação por membranas,
separação criogênica e separação a partir de conversão química (reações químicas).
•
Remoção de H2S: Conforme a Tabela 2.2 e estudos de Wellinger et al. (1999, apud
SALOMON, 2007), o ácido sulfídrico está sempre presente no biogás em diversas
concentrações e deve ser removido, pois pode causar corrosão no compressor, nos
tanques de armazenamento e nos motores em geral, e durante a combustão esse gás é
convertido em dióxido de enxofre, causando danos ao meio ambiente. Os principais
processos de remoção de H2S utilizados podem ser divididos em duas categorias
gerais:
•
Processo de oxidação a seco (Dry Oxidation Process) com introdução de
oxigênio/ar no sistema de biogás e processo de adsorção utilizando óxidos de
ferro.
•
Processos de oxidação na fase líquida por absorção física e ou absorção
química, utilizado onde a concentração de H2S é relativamente baixa.
•
Remoção de partículas: Os processos de remoção de partículas consistem na
lavagem do gás através de algumas técnicas. Devido à eficiência de retenção dos
lavadores ser proporcional ao consumo de energia utilizada na sua operação, algumas
unidades que trabalham com baixa perda de pressão no fluxo de gases são menos
eficientes do que unidades que operam com maiores perdas de pressão. Os tipos mais
comuns de lavadores são: lavadores do tipo torre, lavadores centrífugos e lavadores
Venturi.
Um fator importante a ser considerado na purificação do biogás é a relação
custo/benefício do processo, e este fator está diretamente relacionado com a tecnologia de
geração de energia empregada. O custo será menor dependendo da tolerância da tecnologia da
planta de energia aos agentes corrosivos presentes na etapa final do tratamento.
41
Outro fator importante na escolha do processo de tratamento do biogás é a escala de
produção, e que está relacionada diretamente com a vazão solicitada pela planta de energia.
Neste caso, o custo tende a diminuir quando se trabalha em grande escala.
Por último, parte da energia térmica liberada pela planta de energia poderá ser
reaproveitada para o processo de purificação do biogás, melhorando a eficiência energética do
da planta de tratamento do biogás.
2.3.3 Tecnologias de plantas de energia
Em um aterro sanitário projetado para o aproveitamento energético do biogás, a planta
de energia é a unidade responsável pela conversão da energia térmica do biogás em energia
elétrica. A tecnologia escolhida dependerá de diversos fatores, dentre os principais, a vazão
estimada de biogás do aterro, a capacidade de geração, o custo, a eficiência energética e as
emissões de gases poluentes. A Tabela 2.6 apresenta as tecnologias mais usuais de geração de
energia em aterros sanitários e a respectiva eficiência energética.
Tabela 2.6 – Tecnologias de utilização do biogás e valores típicos de vazão
Tecnologia
Valores típicos
de vazão (m3)
Microturbinas
Motogeradores
Turbina a gás
Turbina a vapor
Sistema de ciclo combinado
<100
>150 a 5.000
>4.000 a 20.000
>6.000 a >25.000
>5.000 a >25000
Tamanho recomendado
Eficiência de
para a planta de energia conversão elétrica
<100 kW
0,5 a 12 MW
3 a 18 MW
10 a 50 MW
>10 MW
25 - 30%
32 - 40%
26 - 32%
24 - 29%
38 – 45%
Fonte: adaptado Leme (2010)
Embora a tecnologia de CaC não esteja entre as mais usuais na geração de energia em
aterros sanitários, o relatório apresentado por Trocciola e Preston (1998) resume os resultados
de um programa de quatro fases, realizado para demonstrar que a energia de células a
combustível comercial, utilizando uma célula de combustível de ácido fosfórico (PC25TMC da
UTC) é tanto ambientalmente segura e comercialmente viável.
Outro fator importante a ser considerado no projeto da planta de energia elétrica é o
seu custo, conforme revela os dados financeiros da Usina Termelétrica Bandeirantes (UTEB)
de São Paulo, que emprega a tecnologia de motogerador.
A UTEB investiu cerca de R$ 48 milhões na planta de energia, outros R$ 15 milhões
foram gastos na planta de gás, e apenas R$ 1,5 milhões empregados em obras de melhoria do
bairro de Perus (entorno do aterro) para adequação ao MDL (COSTA JUNIOR et al., 2010).
42
Podemos verificar na Figura 2.9, que o principal investimento foi aplicado na
construção da planta de energia, que utilizou a tecnologia de motogeradores (¾ do capital
investido). Segundo o autor, um bom planejamento da planta de energia é fundamental para o
retorno do investimento.
Fonte: adaptado (COSTA JUNIOR et al., 2010)
Figura 2.9 – Investimentos Realizados na Usina Termelétrica Bandeirantes/SP
De acordo com Salomon (2007), para o estudo e análise de sistemas de conversão e
geração de energia é muito importante a disponibilidade de programas computacionais
adequados e flexíveis para simulação do funcionamento dos sistemas em condições de projeto
e em condições fora de projeto, permitindo assim definir a estratégia mais conveniente de
operação em função da carga. Simuladores modulares são apropriados para atender a estes
objetivos, nos quais cada módulo representa um componente do sistema (compressor, bomba,
turbina a vapor, turbina a gás, trocador de calor, e outros).
2.3.4 Tecnologias de baixa vazão de biogás
Para aplicações de baixa vazão de biogás há tecnologias específicas, economicamente
43
adequadas, como o sistema de coleta, armazenamento e cogeração de energia, e o sistema de
queimador registrador de baixa vazão para creditação de carbono. Esses sistemas foram
aplicados em uma mini estação ecoeficiente de tratamento de esgoto e reuso de águas
(miniEETERA) da Universidade Estadual Paulista, Campus de Guaratinguetá (miniEETERA)
(GODOY JUNIOR, 2010).
Dentre as vantagens destacadas neste estudo, pode-se citar:
- Baixo custo de fabricação, implantação e manutenção.
- Aproveitamento energético do biogás.
- Automatização total do processo de queima.
- Registro da queima do biogás para fins de creditação de carbono.
- Arquitetura facilmente escalável conforme a produção.
- Tecnologia predominantemente brasileira.
- Redução dos impactos ambientais.
2.3.4.1 Sistema de coleta, armazenamento e cogeração de energia a biogás
O sistema de coleta, armazenamento e filtragem de biogás é composto por três
subsistemas: 1) o coletor, composto por uma rede de tubulações em PVC rígido e flexível,
cuja função é coletar o biogás na campânula dos biodigestores UASB e conduzi-lo até o
gasômetro; 2) o gasômetro, composto por um tanque tubular vertical em PVC e concreto
armado e uma campânula em PVC, cuja função é armazenar, nas campânulas dos
biodigestores UASB (Upflow Anaerobic Slodge Blancket), o biogás coletado pelo subsistema
coletor; 3) o filtro, composto por tubos em PVC, preenchidos com cavaco e palha de aço
oxidada, cuja função é a retenção do gás sulfídrico (GODOY JUNIOR, 2010).
No trabalho desenvolvido por Godoy Junior (2010), quanto ao aproveitamento
energético do biogás gerado, foram sugeridas três implantações: 1) armazenamento do biogás,
por meio de um gasômetro; 2) filtragem do gás sulfídrico por meio de um filtro de óxido de
ferro; 3) conversão energética do biogás em energia elétrica e água quente, por meio de um
sistema cogerador compacto convertido a biogás. Esse sistema é ilustrado na Figura 2.10a, no
qual primeiro o biogás é armazenado, depois filtrado e em seguida aproveitado.
A Figura 2.10b ilustra o desenho esquemático do gasômetro, que utiliza o sistema de
gasômetro telescópico do tipo “João Bobo”, que, à medida que acumula biogás, a campânula
44
do gasômetro sobe telescopicamente.
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2010)
Figura 2.10 – Sistema de coleta, armazenamento e filtragem de biogás
A Figura 2.11 mostra o desenho esquemático do sistema de filtragem de biogás por
meio de filtros sequenciais, utilizando como material filtrante, no primeiro filtro, cavacos de
aço oxidados oriundos de usinagem e, no segundo, palha de aço oxidada. A parte estrutural
dos filtros é composta por meio de tubos de PEAD de 150 mm de diâmetro, conexões e
chapas de PEAD de 5 mm de espessura e de um filtro aberto, expondo o material filtrante
(GODOY JUNIOR, 2010).
45
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2010)
Figura 2.11 – Sistema de filtragem de biogás
2.3.4.2 Sistemas queimadores de gás e desenvolvimento do QRBBV
Em situações com produção de biogás em que é inviável o aproveitamento energético
do biogás, devido a baixas vazões, e considerando o potencial do impacto ambiental causado
pela somatória de diversas situações em que é inviável energeticamente o aproveitamento
desse gás, o sistema queimador e registrador de biogás a baixa vazão (QRBBV), conforme a
patente PI 0902381-0, desenvolvida por Godoy Junior e Marcelino (2010), é uma solução.
Segundo Godoy Junior (2010), para utilização do ignitor, em um queimador de biogás,
com uma composição média na faixa de 60 a 85% de metano e 40 a 15% de gás carbônico
produzido em miniestações de tratamento de esgoto, os três principais aspectos a serem
analisados são:
1°) Tempo de vida útil - Isto porque, mesmo depois de ter gerado a faísca e ter
iniciado o processo de queima do gás, o ignitor terá que continuar a gerar a faísca, pois se a
chama apagar, por qualquer motivo deverá, em seguida ser acesa;
2°) Geração da faísca - O ignitor terá que gerar apenas uma faísca por vez, ao invés
de 5 ou 7, como nos fogões. Isto permite que a energia armazenada no capacitor seja entregue
a apenas um eletrodo. Como as dimensões não precisam ser reduzidas, como um
46
eletrodoméstico para esta aplicação, um carretel especial para o transformador poderá ser
desenvolvido;
3°) Instalação dos eletrodos - O ignitor pode ser equipado com os eletrodos, sendo
instalado próximo ao ponto de saída do gás. Isto permite a redução do comprimento dos
condutores com isolações especiais. No fogão, eles são necessários, para que o ignitor fique
distante da caloria gerada nas bocas e do forno.
A Figura 2.12 ilustra o circuito do ignitor da empresa Brascabos Componentes
Elétricos e Eletrônicos Ltda., já adaptado para um único bico (MARCELINO, 2006 apud
GODOY JUNIOR, 2010).
Fonte: GODOY JUNIOR (2010) & MARCELINO e GODOY JUNIOR (2010)
Figura 2.12 – Circuito ignitor de biogás
O gasômetro, apresentado anteriormente na Figura 2.10, é equipado com duas micro
chaves: uma que sente o fim de curso, instalada na parte superior do gasômetro, que indica
que o mesmo está cheio (GC); e outra que sente o início de curso, instalada na parte inferior,
que indica que o mesmo está com pouco gás (GV). (GODOY JUNIOR et al. 2009,
MARCELINO & GODOY JUNIOR et al. 2009 apud GODOY JUNIOR, 2010).
Segundo Godoy Junior (2010), o sistema funciona da seguinte forma:
- Uma válvula com acionamento elétrico está instalada na saída do gasômetro. Ela é
sempre ligada, juntamente com o ignitor, quando a chave GC for acionada.
- Neste momento, por meio de uma operação biestável, um temporizador é habilitado
(E) e aciona o ignitor, com um período de 5 segundos, sendo: 1 - ligado e 4 - desligado. Essa
47
operação se manterá mesmo que a chave GC desligue, indicando que já não está totalmente
cheio, até que a chave GV seja acionada, indicando que está vazio, ou quase vazio.
- Neste momento, além do ignitor, a válvula também será desligada (fechada). Mesmo
que a chave GV desligue (indicando que o gasômetro já não está mais vazio), o sistema
somente será acionado novamente, se a chave GC for acionada.
De acordo com Godoy Junior. (2010), para se eliminar os repiques mecânicos das
chaves e dos ruídos eletromagnéticos é necessário que exista um filtro de hardware que gere
histerese. Este filtro está contemplado pela operação biestável tipo SR. O processo descrito
pelas chaves GC e GV resume uma operação de um multivibrador biestável tipo SR
(Set/Reset), e a Tabela 2.7 descreve essa função.
Tabela 2.7 – Descrição das funções do sistema de chaveamento do queimador
Entradas
Set (GV)
on
off
off
on
Saídas
Reset (GV)
off
on
off
on
Válvula
on
off
(estado anterior)
(estado proibido)
Ignitor
1on/4off
off
(estado anterior)
(estado anterior)
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2010)
A condição de estado proibido estará mecanicamente garantida no gasômetro, e a
condição das duas chaves desligadas é a condição em que o gasômetro está com volume de
gás e em processo de queima.
De acordo com Marcelino (2007 apud GODOY JUNIOR, 2010), para registrar o
volume de biogás queimado e poder obter os créditos de carbono, pretende-se adaptar o TIMP
(temporizador inteligente com sinalização para manutenção preventiva).
O sistema conta o número de vezes que o gasômetro encheu de biogás e foi esvaziado,
com a respectiva queima. O sistema ainda tem garantia de contagem de volume mínimo
queimado, uma vez que, durante a queima, pode estar entrando biogás, já que a totalização do
volume queimado será feita pelo número de vezes que a chave GC é fechada. A Figura 2.13
ilustra o diagrama de blocos do sistema de controle do registrador queimador.
48
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2010)
Figura 2.13 – Sistema de controle do queimador e registrador
De acordo com Godoy Junior (2010), no futuro, para sistemas com maior produção de
biogás, para se ter uma maior precisão no volume de biogás queimado, um sistema queimador
auxiliar poderá ser instalado em paralelo ao sistema queimador principal. Uma válvula
eletropneumática será instalada entre os dois. Esta válvula somente estará fechada quando o
processo de queima estiver ativado.
Para sistemas com pequeno volume de biogás, não há necessidade de se garantir o
volume queimado com exatidão, bastando apenas a garantia do volume mínimo queimado.
Isto se justifica, uma vez que o processo de queima é muito rápido, se comparado ao tempo de
enchimento do gasômetro (GODOY JUNIOR, 2010).
O temporizador inteligente que contabiliza o número de transições “0”, para “1” na
saída “Q” do multivibrador biestável, permanece, por comunicação serial, solicitando
autorização para o envio do total contabilizado. Se não existir resposta autorizando o envio,
ele permanece contabilizando. Caso um equipamento, devidamente homologado pelo sistema
pagador de créditos de carbono, seja conectado à comunicação serial e autorize a transmissão
do número total de vezes que o gasômetro foi descarregado, e se a comunicação foi efetuada
com sucesso, o totalizador é zerado, para reinício de contagem da queima do biogás no
sistema.
49
De acordo com o autor, a Figura 2.14a, ilustra o funcionamento eletromecânico do
sistema registrador do volume de biogás queimado, representando o sistema em estado vazio,
sem biogás, e na Figura 2.14b, ilustra o funcionamento do sistema, representando o sistema
em estado cheio, com biogás e com o acionamento do sistema queimador registrador. A
Figura 2.15 ilustra a maquete virtual e um dos protótipos do sistema queimador.
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2009)
Figura 2.14 – Sistema queimador e registrador (a) vazio e (b) cheio
50
Fonte: (GODOY JUNIOR, 2009)
Figura 2.15 – Desenhos do queimador dando ênfase ao sistema de controle e registro
51
Godoy Junior (2010) destaca que o sistema temporizador inteligente, com sinalização
para manutenção preventiva, é montado em uma placa de circuito impresso, com dimensões
reduzidas e de baixo custo. É construído com um microcontrolador comercial de 8 pinos,
equipado com memória não-volátil de programação e apagamento elétrico, o EEPROM
(Electrical Erasable Programable Read Only Memory), além de relógio interno para geração
de base de tempo. Dependendo da necessidade de precisão de tempo para a manutenção
preventiva, a base de tempo pode ser externa ao microcontrolador.
A alimentação do sistema recebe energia da rede, 127 ou 220 VAC, sendo efetuada por
um conversor de tensão, consistindo de um retificador de tensão e um abaixador capacitivo e
regulador de tensão. A sinalização de operação é efetuada por meio de um LED (Light
Emitting Diode – Diodo Emissor de Luz), que, em situação normal de operação, está sempre
ligado, representando que o volume de biogás está sendo contabilizado (GODOY JUNIOR,
2010).
De acordo com o autor, o sistema é equipado com uma chave reset do tipo pushbutton, que serve para inicializar a contagem de tempo através de processo manual. Isto
porque ela também é inicializada sempre que o equipamento externo, que faz a contabilização
periódica, recebe com sucesso a comunicação do total.
Com uma produção esperada de cerca de 4,844 Nm3 de metano por dia, a
miniEETERA, objeto desse estudo, fica inviável técnica e economicamente o aproveitamento
energético do biogás produzido, ficando viável apenas a sua quantificação e a sua queima. A
expectativa é que esse sistema viabilize a queima e a quantificação do biogás em pequenas
produções, quando for inviável o seu aproveitamento energético.
O gás metano, presente no biogás produzido a partir da biodigestão anaeróbia do
esgoto sanitário de pequenas estações de tratamento de esgoto, pode deixar de ser emitido
para a atmosfera com o queimador automático apresentado neste trabalho. Isto porque o
mesmo é transformado em gás carbônico, com a possibilidade de ser quantificado, habilitando
a empresa ou instituição a obter créditos de carbono no mercado internacional, conforme as
diretrizes estabelecidas no Protocolo de Quioto, cuja meta é a redução de gases de efeito
estufa até 2012 (GODOY JUNIOR, 2010).
Segundo o autor, com base nos dados que podem ser obtidos por uma rede interligada
de sistemas queimadores e registradores de biogás, instalados em pequenas estações de
tratamento de esgoto, será possível levantar o potencial energético e econômico, no tocante a
52
créditos de carbono, disponível nesta rede de miniestações de tratamento, e analisar a
possibilidade de replicar a iniciativa em outros sistemas de tratamento de esgoto e saneamento
ambiental do biogás de pequeno porte espalhados pelo País.
Em relação à viabilidade técnica e ambiental do sistema queimador registrador de
biogás, o autor concluiu que o sistema proposto é perfeitamente viável do ponto de vista
ambiental, uma vez que evita a emissão indesejável do metano presente no biogás da
atmosfera, convertendo-o em gás carbônico. Nesse equipamento, a queima do biogás pode ser
quantificada, com garantia de queima do biogás, processo necessário para transformar o
metano em dióxido de carbono, com significativamente menor potencial de geração de efeito
estufa.
Godoy Junior (2012) destaca que embora o sistema queimador automático tenha sido
concebido com base em circuitos eletrônicos de baixo custo, com soluções mecânicas simples
e de fácil instalação, a viabilidade econômica do sistema depende da interação com outros
sistemas. No caso, quando uma empresa responsável pela coleta do esgoto contabilizar o
montante de metano convertido em gás carbônico e reivindicar os créditos de carbono obtidos
pelos sistemas instalados, a viabilidade econômica será garantida.
O autor apresenta ainda que os benefícios do sistema proposto não são perceptíveis em
um sistema isolado, considerando que o alvo, sendo instalações de pequeno porte, não
representam volumes expressivos de gases de efeito estufa pontuais. Em uma análise
superficial, percebe-se que, embora o pequeno porte dessas estações de tratamento, quando
contabilizado o montante de biogás produzido e seu impacto ambiental, ou devido à própria
conscientização da população, elas podem representar um número expressivo em um futuro
próximo. E, em conjunto, elas poderão gerar proteção significativa para a redução do efeito
estufa, se estiverem equipadas com versões do queimador automático proposto neste trabalho.
2.4 Redução dos impactos ambientais no aproveitamento energético do biogás
De acordo com Ensinas (2003), a emissão descontrolada do biogás produzido na
decomposição anaeróbia da matéria orgânica pode ser uma ameaça ao ambiente local
causando danos à vegetação, gerando odores desagradáveis, oferecendo ainda riscos de
explosão em concentrações entre 5 e 15% no ar. O biogás pode ser também um problema
global pois é formado por cerca de 50% de metano que é um gás causador do efeito estufa.
53
Para evitar o agravamento do efeito estufa, foi discutido e negociado na cidade de
Quioto no Japão em 1997, o protocolo de Quioto. Esse dispositivo contém, pela primeira vez,
um acordo que compromete os países do Norte a reduzir suas emissões de gases que
provocam o efeito estufa em 5,2% em relação aos níveis de 1990 para o período de 2008 –
2012 com expectativa de reduzir a temperatura global entre 0,02° e 0,28°C até 2050, contudo
não estabelece nenhum limite obrigatório para as emissões dos países em desenvolvimento.
(HINRICHS; KLEINBACH, 2003 apud ABREU, 2007).
Devido à dificuldade desses países em cumprir as metas de redução de emissões, foi
aceita e implementada uma proposta brasileira no anexo 12 do protocolo de Quioto, de
compensação de parte das emissões por meio do Modelo de Desenvolvimento Limpo (MDL),
possibilitando aos países industrializados - signatários do anexo I - investir em projetos de
redução de GEE em países que ainda não possuem metas de redução, como é o caso do Brasil.
O MDL tem como principal dispositivo de funcionamento o mercado de créditos de
carbono, ou Reduções Certificadas de Emissões (RCE) dos projetos de redução de emissões,
eficiência energética e captura de GEE. Cada RCE corresponde a uma tonelada de carbono
equivalente (1 RCE = 1 tCO2e) e é uma fonte importante de receitas para os projetos de
geração de energia em aterros sanitários, onde o gás metano destruído corresponde a 21 vezes
o poder de aquecimento global do CO2 (1 tCH4 = 21tCO2e) (COSTA JUNIOR et al, 2010).
Estudos demonstram que a utilização do biogás para a geração de energia é altamente
benéfica tanto para o meio ambiente, com a eliminação de poluentes perigosos e GEE, quanto
para a geração de receita com a venda direta da energia e dos créditos de carbono.
No entanto, dependendo da tecnologia de geração empregada podem ser gerados
outros gases altamente poluentes pelo processo de oxidação do nitrogênio e do enxofre
presentes no biogás (NOx e SOx). Somente a emissão de NOx, gás de efeito estufa, é
equivalente à 315 vezes o do dióxido de carbono (1 tNOx = 315 tCO 2e) (COELHO et al.,
2006). Emissões de gases poluentes para diferentes tecnologias de geração de energia
utilizando o biogás podem ser comparadas na Figura 2.16 (RAIA, 2010).
54
Fonte: adaptado Raia (2010)
Figura 2.16 – Emissões de poluentes X tecnologias de geração de energia
No próximo capítulo, serão apresentados os métodos e procedimentos utilizados na
pesquisa em busca dos resultados no uso das tecnologias ecoeficientes de células a
combustível e do sistema de queimador registrador de biogás de baixa vazão (QRBBV).
55
3 MÉTODOS UTILIZADOS
Por meio de visitas técnicas ao aterro sanitário Bandeirantes (ASB) e estudos dos
relatórios e publicações do mesmo, levantou-se o estado da arte e estudou-se as possibilidades
de melhorar a geração de energia de forma ecoeficiente, utilizando-se a tecnologia das Células
a Combustível do tipo PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell – Célula a Combustível de Ácido
Fosfórico) em substituição ao sistema de motogeradores de ciclo Otto, e os sistemas de
Queimadores Registradores de Biogás à Baixa Vazão (QRBBV), dimensionados para uma
vazão de 2500 Nm3, em substituição ao queimador do tipo flare de mesma capacidade.
3.1 Levantamento da capacidade de geração de biogás no Aterro Sanitário Bandeirantes
Nesse estudo, foi realizado um levantamento da capacidade de geração de biogás do
aterro Bandeirantes, por meio dos relatórios de geração de biogás denominados Monitoring
Report Form (CDM-MR, 2006-), do projeto de geração de energia n°0164 Bandeirantes
Landfill Gas to Energy Project (BLFGE), e que são divulgados periodicamente pelo órgão
gestor do modelo de desenvolvimento limpo, ou Clean Development Mechanism (CDM).
Para tanto, os dados diários de captura de biogás e geração de energia elétrica do ASB,
apresentado pelo CDM em 17 relatórios (CDM-MR, 2006-), foram importados para uma
planilha de cálculo LibreOffice Calc, v. 3.5.4.2 – pacote de softwares livres. Os dados foram
então consolidadas anualmente desde o início das operações do ASB em 2004, até o último
relatório divulgado em 2010. Para uma melhor visualização, os resultados de captura de
biogás realizado no período foram formatados em gráficos de linhas.
Para o período compreendido entre 2010 até 2023, quando o projeto BLFGE chega ao
seu final, foi realizado uma estimativa de geração de biogás empregando um método de
interpolação. Nesse caso foi utilizado como referência a curva estimada de geração e captura
de biogás do aterro Bandeirantes – baseada em modelo teórico com os parâmetros do aterro
Bandeirantes – para interpolar a curva de captura de biogás no período de 2010 até 2023, de
modo que a tendência de decaimento na produção de biogás nesse período– tendência teórica
– fosse transferida por interpolação para a curva de captura realizada.
A curva de geração de biogás estimada foi calculada conforme as Equações 1 e 2 do
56
capítulo dois, que emprega o método de decaimento de primeira ordem, e também a partir dos
dados do aterro Bandeirantes (MDL-DCP, 2004; CDM-PDD, 2005): quantidade anual de lixo
disposto no aterro (R), taxa de conversão de lixo em biogás (Lo=0,055 tCH4/tresíduo) e fator de
decaimento (k=0,105 ano-1). Esses dados foram inseridos na planilha de cálculo LandGEM
v3.02 (US-EPA, 2005), obtendo-se a estimativa de geração de biogás do aterro no período do
projeto.
A Figura 3.1 apresenta um exemplo do método de interpolação usado nesse estudo,
onde o valor de yb3 (desconhecido) da curva b é calculado com base na curva a (teórica)
multiplicando o valor yb2 (conhecido) pela razão entre ya3 e ya1, fazendo com que a taxa de
inclinação do trecho da curva a seja a mesma da curva b. O processo é repetido até a o último
ponto da curva b.
Figura 3.1 – Método de interpolação usado na estimativa de geração de biogás do ASB
3.2 Escolha da tecnologia de células a combustível
Dentre os diferentes tipos de células a combustível (CaC) apresentados no capítulo
dois, foi escolhido para esse estudo teórico a CaC do tipo PACF (Phosphoric Acid Fuel Cell Célula a Combustível de Ácido Fosfórico). O método de seleção foi baseado em critérios
técnicos e empíricos, comparando-se os prós e contras de cada tecnologia de célula a
57
combustível. No entanto, o principal fator de escolha da PAFC e não de outra, foi o uso dessa
tecnologia em plantas pilotos utilizando o gás de aterro.
Segue abaixo os principais fatores utilizados na escolha da PAFC:
•
Tecnologia que já foi testada na prática em um projeto piloto de demonstração nos
Estados Unidos, no aterro sanitário de Penrose, S.V.-California (SANDELLI, 1992);
•
Disponibilidade comercial de unidades geradoras PAFC;
•
Elevada capacidade de geração utilizando o biogás como combustível;
•
Elevada eficiência elétrica (40%) e possibilidade de aproveitamento da energia
térmica produzida pela CaC em processos industriais, aumentando o aproveitamento
energético do biogás;
•
Disponibilidade de dados financeiros no uso das PAFC em aterros sanitários;
•
Disponibilidade de dados técnicos no uso das PAFC com o biogás de aterro sanitário.
Para a escolha da unidade geradora PAFC, foi realizada uma pesquisa entre os
principais fabricantes de CaC, procurando-se por equipamentos de alta capacidade de geração
e elevada eficiência energética.
Spiegel et al. apud Cadavid (2004), relata que a tecnologia PAFC pode apresentar
diferenças significativas na produção de energia elétrica, dependendo da composição média
do CH4 e do ar dentro do gás de aterro sanitário. Portanto, nesse estudo foi considerado que a
qualidade do biogás é um fator determinante para se obter a máxima eficiência da PAFC.
Segundo o autor, testes realizados em uma PAFC de 200 kW instalado no aterro
sanitário de Penrose (EUA), alimentada com biogás de 43,9% de CH 4, 40,1% CO2, 15,6% N2
e 0,4% O2 (% em massa), pode produzir 137 kW com uma eficiência elétrica real de 37%.
De acordo com Sandelli e Spiegel (1992) uma CaC comercial do tipo PAFC de 200
kW de capacidade de potência de saída, consome 100.000 ft 3/dia (118 m3/h) de biogás para
gerar 200 kW, assumindo um valor energético do biogás de 500 Btu/ft3 (5,17 kWh/m3).
Nesse estudo, a quantidade de unidades PAFC que será utilizada no projeto teórico da
planta de CaC, foi determinada pela capacidade de captura e tratamento de biogás do aterro
Bandeirantes (CDM-PDD, 2012), que é o principal fator limitante.
De acordo com Cadavid Pérez (2004), um sistema completo de CaC do tipo PAFC
para geração de energia a partir do biogás de aterro sanitário é constituído por quatro
subsistemas principais: unidade para processamento de combustível (Reformador), sistema de
CaC, inversor de corrente e unidade para recuperação de calor. Além disso, são necessários
58
equipamentos para o controle de operação automática do sistema completo.
No caso do aterro Bandeirantes que já possui uma planta de captura e tratamento de
biogás para uso com motogeradores, será necessário a instalação de uma unidade de prétratamento de gás (UPG) para a remoção de resíduos de enxofre, monóxido de carbono,
umidade e outros contaminantes que não tenham sido removidos pela planta de biogás, devido
à agressividade desses compostos nos catalizadores da PAFC.
3.3 Dimensionamento de um sistema QRBBV
O sistema de queimador registrador de biogás à baixa vazão (QRBBV) é composto
pelo gasômetro - tanque tubular vertical em PEAD (polietileno de alta densidade) dentro de
um tanque de concreto armado preenchido com água, cuja função é armazenar o biogás de sua
entrada, e pelo queimador registrador de gás, que é o equipamento responsável pela queima
do biogás e contabilização deste para fins de creditação de carbono.
De acordo com a proposta inicial desse estudo, o dimensionamento do sistema
QRBBV seria realizado com base na capacidade máxima dos dois queimadores tipo flare de
alta temperatura HOFGAS – Efficiency 2500, instalados na planta de biogás, os quais
possuem as seguintes características técnicas apresentadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Características do queimador flare HOFGAS – Efficiency 2500
Dimensões
Altura: 8,126 m
Diâmetro: 2,069 m
Capacidade
Temperatura de
combustão
Tempo de retenção
1.000°C – 1.200°C
> 0,3 seg
Min: 500 Nm /h
3
Máx: 2.500 Nm3/h
Fonte: adaptado CDM-PDD (2012)
No entanto, devido à elevada vazão de gás do aterro Bandeirantes, essa proposta foi
abandonada, já que o gasômetro necessário para acumular até 5.000 Nm 3 de biogás por hora
seria impraticável na escala de geração de biogás do aterro Bandeirantes, além disso, deve-se
aproveitar o gás para a geração de eletricidade e não queimá-lo. Portanto, foi verificada outra
possibilidade de uso do sistema QRBBV no aterro Bandeirantes.
Analisando-se o projeto do aterro Bandeirantes, verificou-se um problema em relação
ao sistema de desgaseificação instalado no aterro, o qual é formado por uma rede de
tubulações PEAD que interligam todos os poços de captação de biogás à planta de biogás. O
sistema coleta o biogás por pressão negativa (sucção), o que consome muita energia das
59
bombas (sopradores) e necessita de ajustes frequente na vazão dos poços.
De acordo com o projeto PDD-0164 e dados da Biogás, o aterro possui 274 poços
ativos, sendo que as áreas mais novas AS4 e AS5, próximas da planta de biogás, são as que
produzem a maior quantidade de biogás, enquanto que as áreas antigas e distantes AS1, AS2 e
AS3, produzem bem pouco gás.
Uma proposta para o uso do QRBBV no aterro Bandeirantes, que atenderia o
problema descrito acima, seria a instalação desses equipamentos nas áreas AS1, AS2 e AS3,
de baixa produção de biogás e mais distantes, os quais seriam dimensionados para receber a
vazão espontânea de biogás dos poços no seu entorno, concentrando e liberando o biogás à
pressão cinética do gasômetro na tubulação PEAD interligada na planta de biogás.
Pode-se relacionar diversas vantagens na implementação desse sistema, conforme
segue abaixo:
•
Consumo zero de energia, o biogás é extraído à pressão atmosférica, sem o uso de
bombas;
•
Redução na área de desgaseificação forçada do aterro, reduzindo a energia gasta pelos
sopradores e aumentando a eficiência global do projeto;
•
O biogás obtido à pressão natural possui maior concentração de metano e menos
oxigênio do que o gás extraído por sucção.
•
Custo baixo do equipamento, tecnologia brasileira, menor custo de mão de obra.
Dentre as possíveis desvantagens desse sistema, a mais relevante seria a falta de
estudos e dados anteriores no uso do QRRBV para essa finalidade. Na Figura 3.2 é
apresentado um esquema simplificado da proposta de aplicação do QRBBV no aterro
sanitário Bandeirantes.
60
Figura 3.2 – Esquema da aplicação do sistema QRBBV no aterro Bandeirantes
3.4 Análise financeira no uso das novas tecnologias no Aterro Sanitário Bandeirantes
Nesta etapa foram realizados levantamentos das receitas e despesas do projeto de
geração de energia do aterro Bandeirantes (PDD-0164), e da proposta de uso da tecnologia de
CaC do tipo PAFC e do sistema QRBBV, para análise financeira do fluxo de caixa do atual
empreendimento, que usa a tecnologia de motogeradores, em comparação com a proposta de
uso dessas novas tecnologias.
Os resultados financeiros obtidos foram analisados pelo indicador financeiro TIR
(Taxa Interna de retorno), usualmente utilizado pelos empresários brasileiros na avaliação da
viabilidade financeira de projetos de investimentos, e que é o mesmo método utilizado no
projeto PDD-0164 (MDL-DCP, 2004; CDM-PDD, 2005).
A Taxa Interna de Retorno (TIR) é a taxa de juros (desconto) que iguala, em
determinado momento do tempo, o valor presente das entradas (recebimentos) com o das
saídas (pagamentos) previstas de caixa. A TIR é usada como método de análise de
investimentos, onde o investimento será economicamente atraente se a TIR for maior do que a
taxa mínima de atratividade (taxa de retorno esperada pelo investimento). A TIR também é
61
utilizada na comparação entre dois ou mais projetos de investimentos, quando estes forem
mutuamente excludentes. Neste caso, o projeto que apresentar o maior valor da TIR será o
projeto economicamente mais atraente (PEREIRA, 2008).
Basicamente a TIR mostra a taxa de juros do fluxo de caixa de um empreendimento ao
longo do tempo, possibilitando a análise dinâmica da rentabilidade e do tempo de retorno
desse investimento - conhecido como payback.
Para o levantamento das receitas da UTEB foi considerado as duas principais fontes de
receitas da usina: a receita da venda da energia (RVE) e a receita da venda dos créditos de
carbono (RVC) em um determinado período de análise.
Para o levantamento dos custos da UTEB foi considerado os custos de implantação do
projeto (investimentos realizados na construção da usina), custos financeiros e custos de
manutenção dos equipamentos e de operação da usina (M&O).
3.4.1 Receitas da venda de energia
A receita anual da venda da energia (RVE) foi calculada com base nos preços médios
da energia (PME) (R$/MWh) contratados através dos leilões de energia nova (EPE, 2008;
MASCARENHAS, 2012), e na geração anual de energia (GAE) da UTEB, conforme a
Equação 4.
RVE=PME⋅GAE
(4)
Foi escolhido o PME porque este índice considera o preço médio de comercialização
de energia de diferentes fontes: hidrelétrica, pequenas usinas hidrelétricas (PCH) termelétrica,
biomassa, eólica e nuclear. Sendo assim, o PME foi usado nesse estudo para que a receita da
UTEB fosse calculada dentro de um cenário realista e competitivo.
3.4.2 Receita da venda dos créditos de carbono
O cálculo do montante de créditos de carbono (RCE) produzidos pelo projeto de
geração de energia do aterro Bandeirantes (PDD-0164) foi realizado conforme a metodologia
de linha de base aplicada ACM0001, nomeada Consolidated baseline methodology for
landfill gas project activities (MDL-DCP, 2004;CDM-PDD, 2005).
Essa metodologia estabelece uma simplificação no cálculo ao se fixar que 20% do
62
metano gerado pelo aterro poderia ser extraído sem o uso de bombas, ou seja, sem a
necessidade do projeto PDD-0164. Portanto, de acordo com a metodologia ACM0001, o
metano destruído a ser considerado no cálculo dos RCE é fixado em 80%.
Considerando que o metano é um gás 21 vezes mais agravante do efeito estufa em um
período de cem anos do que o dióxido de carbono (em massa), a quantidade de tCO 2e (1
tCO2e = 1 RCE) obtidas pela destruição do metano capturado do aterro foi calculada
conforme a Equação 5.
tCO2 e=21⋅0,8⋅tCH 4
(5)
Outra fonte de RCE do projeto PDD-0164 é obtida com as reduções de emissões do
deslocamento do despacho de energia elétrica não renovável por fonte renovável, que é caso
do projeto Bandeirantes. Foi estabelecido nesse projeto a aplicação da metodologia ACM0002
– Consolidated methodology for grid-connected electricity generation from renewable
sources (MDL-DCP, 2004;CDM-PDD, 2005).
A metodologia ACM0002 considera que usinas de geração elétrica a partir de
combustível fóssil são deslocadas da margem do sistema elétrico por uma fonte de energia
renovável, ou seja, pela geração de energia do projeto Bandeirantes. Dessa forma, foi
calculado o RCE com base no fator de emissões (FE = 0,2677 tCO 2e/MWh) (MDL-DCP,
2004;CDM-PDD, 2005).
Portanto, no cálculo do total de RCE produzido pelo projeto Bandeirantes foi utilizada
a Equação 6.
RCE T =21⋅0,8⋅tCH 4+ EG∗FE
(6)
Onde:
RCET: quantidade total de RCE produzido no período de verificação;
EG: energia gerada no período de verificação (MWh);
FE: fator de emissões da margem combinada, operacional e construída ( tCO2e/MWh)
tCH4: montante de metano destruído no período de verificação.
Segundo o CDM-PDD (2012), a partir do segundo período de creditação de carbono
(23/12/2010), o FE será calculado de acordo com a Resolução N° 8 de 2008 da CIMGC.
Conforme divulgado site da Biogás Energia Ambiental S/A (BIOGÁS, 2012), a usina
fica com 50% dos RCE registrados no período e os outros 50% são repassados para a
Prefeitura de São Paulo, por força do contrato de concessão.
63
Segundo a empresa Biogás, os RCE pertencentes à usina são enviados para o banco
alemão KFC, responsável pela sua comercialização no mercado de carbono europeu e pelos
repasses dos valores a UTEB, sendo que o contrato entre o banco e a usina estabelece um
valor mínimo de repasse dez euros por RCE, no entanto, nesse estudo foi fixado o valor de
15,00 €/RCE devido aos resultados obtidos nos leilões. Esse valor foi utilizado no cálculo da
receita e fixada a taxa de câmbio em 2,50 R$/€ (cotação média do euro em maio/2012).
Portanto, a receita obtida com a venda dos RCE (RVC em R$) no período de
verificação foi calculada conforme a Equações 7 e 8.
RVC=15⋅2,5⋅0,5⋅CERT
(7)
RVC=15⋅2,5⋅0,5⋅(21⋅0,8⋅tCH 4 + EG⋅0,249)=315⋅tCH 4 + 4,6688⋅EG
(8)
Analisando a Equação 8 podemos verificar que a receita estimada de cada tonelada de
metano destruído corresponderia a R$ 315,00, e que a cada MWh de energia renovável gerada
e despachada, a usina receberia R$ 4,67.
3.4.3 Custos do projeto de geração de energia do PDD-0164
O levantamento dos custos do projeto de geração de energia do aterro Bandeirantes foi
obtido por meio de pesquisa bibliográfica no documento de concepção do projeto PDD-0164
(CDM-PDD, 2012), e em dados divulgados pelo banco investidor (UNIBANCO, 2004). Os
custos relacionados são os custos na construção da planta de biogás e na planta de energia.
Os custos de construção da usina correspondem basicamente ao investimento realizado
na elaboração do projeto de engenharia, na compra dos equipamentos, nas obras civis das
instalações da usina, no transporte dos equipamentos e materiais, na instalação e testes dos
equipamentos, nas documentações, licenças e taxas, e em materiais e peças diversos.
Já os custos operacionais da UTEB correspondem ao custo durante a fase de produção
da usina. Este custo é composto principalmente pelo custo de manutenção dos equipamentos,
mão de obra (M&O) e encargos, seguro e impostos, materiais diversos, e serviços
terceirizados de segurança, limpeza, entre outros.
64
3.4.4 Estimativa de custo de uma planta PAFC
De acordo com Cadavid Pérez (2004) os custos envolvidos na instalação de uma
planta de energia de células a combustível PAFC é composto basicamente pelo custo da
unidade de pré-tratamento de gás (UPG) e pelo custo de capital da própria PAFC.
•
Custo de capital da UPG
De acordo com Cadavid Pérez (2004), o custo total para um sistema completo de pré-
tratamento de biogás para um fluxo de gás de 28.300 Nm3/dia, envolvendo os custos dos
catalisadores e absorvedores, reatores pressurizados, tubulações e materiais de isolamento,
trocadores de calor, válvulas de controle e instrumentação é estimado em US$ 1.140.604,00.
Essa estimativa de custo da UPG será usada como referência, sendo ajustada
proporcionalmente à vazão de gás destinada às células a combustível.
•
Custo de capital da PAFC
De acordo com Trevisan (2004, apud CADAVID PÉREZ, 2004) os custos de capital
para a implantação de um sistema de pilhas a combustível são o de aquisição da planta junto
ao fabricante, os custos de transporte deste do país de origem até o ponto de instalação, os
impostos envolvidos, os custos de instalação, além da aquisição de um tanque para o
armazenamento da água quente e um transformador.
Conforme citado por Cadavid Pérez (2004), segundo o fabricante, o custo da planta no
modo on-site é de US$ 850 mil, sendo a previsão do custo de instalação em média de US$
100 mil, podendo varia entre valores de US$ 70 mil a US$ 150 mil. Os impostos envolvidos
com a importação da planta são o Imposto de Importação (II), de 14%, o Imposto sobre
Produto Industrializado (IPI), de 5%, e o Imposto Sobre Circulação de Mercadorias e
Serviços (ICMS), de 18% sobre o valor do produto.
Segundo Cadavid Pérez (2004), os custos relacionados ao transporte são constituídos
pelas despesas bancárias (CAD), o frete internacional, a armazenagem, o desembaraço,
Sicomex, o seguro e o transporte nacional. Na Tabela 3.2 apresenta-se o valor de cada item e a
soma total dos custos de capital, considerando a taxa de câmbio de US$ 1,00 = R$ 2,00.
65
Tabela 3.2 – Levantamento de custos de capital de uma PAFC
Custo de capital de uma PAFC
Valor (US$)
Valor (R$)
850.000
100.000
1.700.000
200.000
238.000
85.000
306.000
15.600
17.000
32.000
2.900
1.350
2.597.850
Planta da pilha a combustível
Instalação da planta / transformador
Imposto de importação (II)14%
Imposto sobre produto industrializado (IPI) 5%
ICMS 18%
Frete internacional
Armazenagem
Seguro
Transporte nacional
Desembaraço/Sicomex/Despesas bancárias
TOTAL
7.800
8.500
16.000
Fonte: adaptado (CADAVID PÉREZ, 2004)
3.4.5 Custos do sistema de queimadores tipo flare enclausurado
Os custos de capital na aquisição e instalação de um sistema queimador tipo flare
enclausurado foi estimado com base em levantamento bibliográfico de projetos nos moldes do
MDL-PDD, tal qual foi feito no projeto do Aterro Bandeirantes (BLFGE) (CDM-PDD, 2012).
Essa abordagem foi adotada em razão das necessidades específicas do uso desse
equipamento em aterros sanitários, levando-se em consideração a eficiência na destruição dos
gases para se evitar a emissão de compostos perigosos, a operação segura do equipamento, o
consumo de energia e o ruído emitido durante a queima dos gases. Esses fatores são
importantes para a saúde pública da população no entorno do aterro.
Seguindo a proposta acima, conforme o projeto designado Methane capture and
destruction on Las Heras landfill in Mendoza-Argentina (PDD-Las Heras, 2007), esse aterro
recebeu na primeira fase de operação – captura e destruição do biogás – dois equipamentos
flare tipo enclausurado da HOFGAS – Efficiency 1.000, com um custo de acordo com a
Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Levantamento de custos de capital de flares HOFGAS-Efficiency 1.000
Tipo
Unidade
Custo por
unidade
Custo total
2
247.000
494.000,00 €
15%
74.100,00 €
36.000,00 €
30.000,00 €
634.100,00 €
HOFGAS – Efficiency 1.000 (1.000m3/h)
Impostos (% do custo dos flares)
Transporte
Obras de instalação – plataforma (200 euro/m2)
CUSTO TOTAL DOS FLARES
Fonte: adaptado (CDM-PDD-LAS HERAS, 2007)
Com base nos dados da Tabela 3.3, pode-se estimar o custo de capital para
66
configurações diferentes de flares de forma proporcional aos custos em euros, convertidos
para valores em dólares americanos ou reais ao câmbio da época.
No próximo capítulo, serão apresentados os resultados da pesquisa e dos estudos
teóricos do uso da tecnologia de células a combustível do tipo PAFC na planta de energia e
uso do sistema QRBBV, aplicado no caso do aterro Bandeirantes.
67
4 DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO DE CASO
Neste capítulo serão aplicados os métodos apresentados no capítulo três. Como
ferramenta para os cálculos e para formatação dos resultados em gráficos e tabelas, foi
utilizado o software livre LibreOffice Calc v.3.5.4.2, assim como foi utilizado o editor de texto
LibreOffice Writer para a escrita da dissertação e o LibreOffice Impress na apresentação.
4.1 Levantamento da geração de biogás no Aterro Sanitário Bandeirantes
De acordo com os dados do projeto de geração de energia do aterro Bandeirantes,
denominado BLFGE ou PDD-0164 (CDM-PDD, 2012), e divulgado pelo órgão executivo do
Modelo de Desenvolvimento Limpo (MDL ou CDM em inglês), foram dispostos no aterro
Bandeirantes cerca de 37 milhões de toneladas de resíduos desde 1979 até 2007, distribuídos
anualmente conforme a Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Resíduos depositados no ASM Bandeirantes
Resíduos
Depositados
(t/ano)
Ano
Resíduos
Depositados
(t/ano)
Ano
Resíduos
Depositados
(t/ano)
1978
0
1988
1.283.852
1998
2.142.325
1979
37.450
1989
977.852
1999
2.305.464
1980
229.040
1990
1.206.964
2000
1.964.424
1981
231.408
1991
1.224.954
2001
2.043.617
1982
313.633
1992
1.508.817
2002
2.082.855
1983
321.956
1993
1.377.148
2003
1.993.371
1984
325.585
1994
1.616.710
2004
1.965.347
1985
408.887
1995
1.823.170
2005
1.594.350
1986
801.366
1996
1.971.651
2006
1.974.799
1987
1.017.866
1997
1.992.386
2007
489.627
Ano
Fonte: adaptado CDM-PDD (2012)
A estimativa de geração de biogás e metano seguiu a metodologia de inventário do
painel intergovernamental sobre mudanças climáticas (IPCC, 1996), a partir dos dados
apresentados na Tabela 4.1 e dos parâmetros de degradação dos resíduos, definidos conforme
a análise física/química realizada nesses resíduos (FRAL CONSULTORIA LTDA, 2009 apud
CDM-PDD, 2012).
68
Consultando o projeto PDD-0164 (MDL-DCP, 2004; CDM-PDD, 2005), foram
levantados os seguintes parâmetros utilizados nessa estimativa: Lo = 0,055 tCH4/tRSU; k =
0,105 ano-1; fração de metano no biogás de 50%.
Esses dados foram inseridos na planilha de cálculo LandGen v3.02 (US-EPA, 2005), e
estimou-se os resultado apresentado nos gráficos da Figura 4.1.
ATERRO SANITÁRIO BANDEIRANTES
Estimativa de geração de biogás e gás metano
Vazão (Nm3/ano)
3,00E+08
2,00E+08
1,00E+08
22
20
20
20
18
20
16
20
14
20
12
20
10
20
08
20
06
20
20
04
0,00E+00
Ano
Biogás
Metano
Figura 4.1 – Gráfico da estimativa de geração de biogás e CH4 do aterro Bandeirantes
Para a determinação da eficiência média da UTEB, que possui 24 motogeradores
CAT3516-A de 925 kW, com capacidade total instalada de 22 MW, o valor foi calculado pelo
balanço energético entre o poder calorífico do metano (PCICH4 = 9,967 kWh/Nm3), capturado e
tratado pela planta de biogás, e a energia elétrica produzida e registrada no medidor de energia
elétrica instalado na saída da planta de energia.
Esses dados foram obtidos por meio dos 17 relatórios de monitoramento da usina,
compreendendo o período de 2004 até 2010, onde são divulgados os resultados de produção
de metano e energia (CDM-MR, 2006-). Basicamente, os valores diários de metano e de
energia foram importados para uma planilha de cálculo e consolidados anualmente, e com
esses valores foi calculada a eficiência aplicando a Equação 9.
η%=
Onde:
η%: eficiência elétrica (%);
EA
⋅100
PCI CH4⋅VACH4
(9)
69
EA: energia elétrica anual entregue a rede de distribuição (kWh);
PCICH4: poder calorífico inferior do metano (PCICH4 = 9,967 kWh/Nm3);
VACH4: volume anual de metano capturado e tratado (Nm3).
Os valores obtidos de eficiência elétrica da usina são apresentados na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Eficiência elétrica média da usina Bandeirantes
Eficiência anual de geração de energia da UTEB (%)
(Energia do biogás capturado/energia elétrica comercializada)
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
31,06%
29,46%
31,03%
30,96%
31,78%
31,42%
28,82%
Eficiência
Média da UTEB
(%)
30,65%
De acordo com o projeto BLFGE, a usina foi planejada para gerar até 22 MW de
potência elétrica ou 170 GWh/ano de energia, considerando uma vazão de biogás na entrada
da planta de energia de cerca de 12.000 Nm3/h a 50% de metano.
Porém, foi verificado no levantamento de captura e tratamento de biogás da usina uma
redução de cerca de 50% em comparação com os dados estimados para o período de análise, o
que também foi confirmado nos estudos realizados por Sampaio Junior (2010) sobre o aterro
Bandeirantes. Como consequência dessa redução na produção de biogás, também ocorreu
uma redução na geração de energia elétrica da usina.
Pela diferença encontrada na geração de biogás do aterro Bandeirantes, pode-se
relacionar algumas hipóteses sobre os fatores que contribuíram para esse resultado negativo:
•
Erros na avaliação química/física dos resíduos e como consequência, erros nos
parâmetros Lo e k, que são parâmetros importantes utilizados no método de estimativa
de geração de biogás;
•
Problemas na execução dos serviços de aterramento dos resíduos ao longo do tempo,
causando a perda de matéria orgânica e vazamentos dos gases antes do aterramento
final dos resíduos;
•
Vazamentos de gás na cobertura do aterro devido a fissuras provocadas por
deslocamentos e recalques do solo de cobertura;
•
Sistema de desgaseificação insuficiente ou mal dimensionado.
Uma possível explicação para o erro observado foi descrito pelo órgão americano US-
EPA (2005) no uso da metodologia de estimação de geração de biogás de aterro. No
documento é relatado que frequentemente existem limitações quanto a disponibilidade de
70
dados precisos, da quantidade de lixo e de sua composição, além de mudanças no layout do
aterro e na disposição do lixo ocorrem a todo instante, afetando o potencial de geração de
biogás. Ou seja, há uma incerteza na estimativa de geração devido a muitas variáveis
importantes serem de difícil controle em um aterro sanitário.
Considerando os dados reais de geração do aterro Bandeirantes, para melhor
representar os resultados obtidos nesse levantamento foi construído um gráfico de linhas,
onde são apresentadas as curvas de captura de biogás estimada, captura de biogás realizada,
geração de energia elétrica realizada, e a capacidade de geração de energia da UTEB (170
GWh/ano).
No gráfico apresentado na Figura 4.2, a linha horizontal tracejada indica a capacidade
máxima anual de geração de energia elétrica da UTE Bandeirantes (170 GWh/ano). Esse
valor refere-se aos 24 motogeradores CAT3516-A de 925 kW da planta de energia,
trabalhando a 90% da capacidade e durante 8.560 h/ano, conforme dados do PDD-0164
(MDL-DCP, 2004; CDM-PDD, 2005).
Nesse gráfico, a relação entre as escalas “y” de vazão de biogás (Nm 3/ano) (a
esquerda) e geração de energia elétrica (kWh/ano) (a direita), foi estabelecida considerando-se
a eficiência média de 30% calculada anteriormente. Dessa forma, pode-se comparar
diretamente no mesmo gráfico as curvas de captura realizada de biogás e de geração de
energia elétrica da usina.
De acordo com o projeto da UTEB (MDL-DCP, 2004; CDM-PDD,2005), a usina foi
planejada para operar durante 21 anos a partir de dezembro de 2003, sofrendo duas
renovações intermediárias no sétimo e décimo quarto ano de funcionamento. Conforme
podemos observar nos gráficos de captura de biogás estimada e capacidade de geração da
UTEB, era previsto que a usina gerasse 170 GWh até o ano de 2012, quando a curva de
captura de biogás estimada ficaria abaixo da capacidade de geração de energia da usina (linha
tracejada).
71
USINA TERMELÉTRICA BANDEIRANTES
Energia Elétrica (kWh/ano)
20
20
20
20
20
12
20
20
20
20
20
22
000,0E-2
20
000,0E-2
18
120,0E+6
16
800,0E+5
14
240,0E+6
10
160,0E+6
08
360,0E+6
06
240,0E+6
04
Biogás (Nm3/ano)
Captura de biogás e energia (estimado x realizado)
Ano
Captura estimada
Energia gerada
Captura realizada
Capacidade UTEB (170GWh)
Figura 4.2 – Gráfico da coleta de biogás e energia elétrica na UTEB
Porém, pode-se verificar no gráfico que a captura de biogás realizada ficou abaixo dos
50% da estimativa de projeto e que a geração de energia atingiu o seu pico logo no início de
funcionamento da usina em 2006, e vem decaindo anualmente a uma taxa exponencial, sendo
que em 2012, de acordo com o gráfico, a energia produzida pela UTEB ficará em torno de 60
GWh.
Os resultados apresentados estão de acordo com o que foi verificado nas visitas
realizadas à UTEB em fevereiro de 2010 e janeiro de 2012, ao se confrontar a vazão de biogás
registrada nas fotos do PLC tiradas nas duas visitas (Anexos A e B), onde podemos verificar a
vazão da planta de biogás registrada no medidor FIR100 (medidor de vazão principal), de
6.550 Nm3/h em 2010, e de 4.738 Nm3/h em 2012. Considerando esses valores, a energia
elétrica gerada em 2010 seria em torno de 80 GWh e em 2012, em torno de 60 GWh, valores
estes que ficaram um pouco acima do verificado no gráfico de geração de energia da UTEB,
porém, essa diferença foi por não ter sido considerado no cálculo o decaimento da vazão de
biogás ao longo do ano.
De acordo com o questionário realizado na segunda visita ao aterro Bandeirantes em
72
2012 (Apêndice A), e respondido pelo representante da Biogás, a UTEB estava funcionando
naquele momento apenas com oito motogeradores a plena carga. Esse dado confere com a
vazão de biogás apresentada no parágrafo anterior, considerando que cada motogerador
consome cerca de 530 Nm3/h de biogás a 50% de metano, então, com uma vazão de 4.738
Nm3/h, seriam necessários apenas 8 motogeradores de 925 kW para gerar cerca de 7.095 MW
de potência elétrica. Portanto, dos 24 motogeradores da planta de energia, apenas 8 estavam
em operação e 16 eram mantidos desligados ou em escala de revezamento.
Se fosse aplicado o mesmo cálculo para o ano de 2010, quando havia na época uma
vazão maior de biogás (6.550 Nm3/h), naquele ano a usina Bandeirantes estaria operando
somente com 11 motogeradores e gerando em torno de 9.825 MW de eletricidade, ou seja,
menos da metade dos 24 motogeradores precisavam ser ligados. Pode-se constatar nesses
levantamos que a planta de energia nunca operou na sua capacidade máxima desde o início do
projeto.
Para que o levantamento realizado pudesse ser utilizado até o final do projeto, os
trechos das curvas de captura de biogás realizada e geração de energia a partir de 2010 foram
estimados a partir do método de interpolação apresentado no Capítulo três. Dessa forma, os
valores obtidos a partir de 2010 foram utilizados no cálculo das receitas de geração de energia
e créditos de carbono.
4.2 Planta de energia utilizando células a combustível para o caso do Aterro Sanitário
Bandeirantes
A definição da tecnologia de CaC mais apropriada para esse estudo foi realizada no
Capítulo três, sendo escolhida a célula a combustível do tipo PAFC devido às suas
características ótimas de potência, eficiência energética e uso de biogás de aterro como
combustível. Uma vez definida a tecnologia PAFC, foi realizado uma pesquisa entre os
principais fabricantes de células a combustível e selecionado entre eles o equipamento PAFC
PureCell® Model 400 (PC400), fabricado pela UTC Power (2012), de 400 kW de potência,
cujas principais características são:
•
•
Potência: 400 kW/471 kVA em 480 VAC/60 Hz 3� �
;
Eficiência: elétrica (PCI) de 42% ou de 90% combinado com CHP (Combined Heat
and Power – Aquecimento e Potência Combinada);
73
•
Emissões: NOX, CO = 0.02 lb/MWh e CO2 = 1.050 lb/MWh sem CHP ou 487
lb/MWh com CHP;
•
Ruído: 65 dB a 33 ft sem CHP ou 60 dB a 33 ft com CHP;
•
Processamento interno do combustível: converte o gás natural ou biogás em
hidrogênio (reformador de combustível interno);
•
Pilha de células a combustível PAFC: principal componente, gera eletricidade DC
diretamente do hidrogênio e tem vida útil de 10 anos;
•
Inversor de frequência: converte a potência DC em AC de elevada qualidade;
•
Consumo de combustível: 3.790 scfh (standard cubic meters per hour) (107 m3/h) de
gás natural ou 6.800 scfh (193 m3/h) com biogás a 60% de CH4 ;
•
Trocador interno de calor: 1.700.000 BTU/h a 140°F (60°C) ou 800.000 BTU acima
de 250°F (120°C) e 900.000 BTU/h a 140°F (60°C)
A PC400 funciona com a tecnologia CHP, ou seja, o calor produzido na geração de
energia é reaproveitado no reformador de gás, aumentando a eficiência no processo de
conversão do metano em hidrogênio. A unidade geradora PC400 possui vida útil estimada de
20 anos.
Com o uso do gás natural a eficiência da PC400 chega a 90%. Outra vantagem desse
modelo é que não necessita de água para refrigeração, pois o equipamento possui trocadores
de calor e ventilação forçada para a exaustão do calor remanescente, o que só é possível
devido à elevada eficiência proporcionada pela tecnologia CHP (Anexo D).
No entanto, para que a PC400 possa ser utilizada de forma segura no aterro
Bandeirantes, será necessário a utilização de uma unidade de pré-tratamento de gás (UPG),
conforme apresentado na Figura 2.7 do Capítulo dois, instalada entre a planta de biogás e as
unidades PC400, para eliminação de contaminantes que tenham sobrado da filtragem anterior,
principalmente os resíduos de enxofre (H2S), halogênios (Cl) e compostos orgânicos não
metânicos (NMOC).
De fato, a planta de biogás atual já possui um sistema de desumidificação e filtragem,
e um filtro contendo limalha de aço para a retenção do H 2S, que reage quimicamente com o
óxido de ferro (FeO3) fazendo dessa forma a redução do H 2S na saída do filtro com menos de
15 ppm (MONTILHA, 2005). Porém, esse sistema de filtragem foi feito para uso com
motogeradores e não para células a combustível, cujos componentes são mais sensíveis aos
compostos de enxofre (H2S) e halogêneos (Cl), principalmente compostos contendo cloro
74
(CADAVID PÉREZ, 2004).
De acordo com Sandelli e Spiegel (1992, apude CADAVIDE PÉREZ, 2004), a
unidade de pré-tratamento é baseada em modificação de sistemas que já existem e utiliza
componentes comercialmente disponíveis. Esse sistema deve apresentar na saída a seguinte
composição de gases mostrada na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Composição dos gases de saída da UPG
Composto
Concenração limite
Composto
Concentração limite
CH4
50%
NMOC
~0
CO2
45%
Sulfurosos (H2S)
< 0,05 ppmv
N2
5%
Halogenados (Cl)
< 0,05 ppmv
O2
<1%
H2 O
0
Fonte: Cadavid Pérez (2004)
No caso do Aterro Bandeirantes, o dimensionamento da UPG foi planejado para o
tratamento da vazão de biogás de acordo com a necessidade da planta PAFC a ser instalada, o
que representou de fato um custo a mais no uso dessa nova tecnologia. Contudo, como já
existe um pré-tratamento na atual planta de biogás, a UPG neste caso terá um custo menor do
que se fosse em um projeto novo.
Com a escolha da célula a combustível PC400, além das vantagens técnicas já citadas,
esse equipamento possui excelente modularidade e não necessita do reformador de
combustível externo e de outros equipamentos e acessórios para o seu funcionamento, como o
inversor de frequência, transformador e tanque de água, simplificando o projeto de instalação
e reduzindo os custos de manutenção e operação da planta.
A planta PAFC também não precisará de uma construção cara como a que foi feita
para os 24 motogeradores CAT3516-A, que são equipamentos extremamente ruidosos e
dissipam uma grande quantidade de energia térmica quando em funcionamento, necessitando
de um prédio com piso industrial reforçado, paredes firmes com bom isolamento acústico,
atenuadores de ruído nas entradas de ar e silenciosos especiais para os escapamentos de gases,
de forma que a planta de energia possa funcionar próximo de locais habitados, como no caso
do aterro Bandeirantes que é cercado pelo distrito de Perus.
Para instalação das unidades PC400 no aterro Bandeirantes, uma alternativa de baixo
custo seria a construção de um pátio nivelado com solo compactado e cobertura de brita, e nos
locais destinados às PC400, pode-se construir uma base de concreto simples dimensionada
para suportar o peso do equipamento.
75
Nesse estudo, para o dimensionamento da quantidade de unidades PC400 necessários
para a planta de energia, foram considerados dois cenários diferentes:
•
Cenário 1: Considerando a vazão de biogás e geração de energia apresentado no
projeto BLFGE (MDL-DCP, 2004; CDM-PDD, 2005), foi definida a potência da
planta PC400 em 20 MW, o que é bem próximo dos 22 MW da atual planta com uso
de motogeradores. Nesse cenário, a planta de energia terá 50 unidades PC400 e o seu
consumo de combustível será em torno de 10.000 Nm3/h de biogás a 50% de CH4.
•
Cenário 2: Conforme dados apresentados nessa pesquisa, a capacidade real de
geração da UTEB ficou em torno de 50% do planejado. Nesse cenário, a planta de
energia terá 25 unidades PC400 e o seu consumo de combustível será em torno de
5.000 Nm3/h de biogás a 50% de CH4.
Como exemplo de planta de energia utilizando PAFC, na Figura 4.3 é apresentado uma
planta PC400 de 4,8 MW instalada na Coreia, e que é considerada uma das maiores plantas de
células a combustível no mundo (KANURI, 2012).
Fonte: Kanuri (2012)
Figura 4.3 – Planta de energia de 4,8 MW utilizando a PureCell® Model 400 Power
76
4.2.1 Estimativa do custo de capital de uma planta de células a combustível PC400
Conforme Tierney (2008), o custo efetivo da CaC de tecnologia PAFC PureCell® caiu
cerca de 37% do ano de 2007 a 2008 (de 4.800,00 para 3.000,00 US$/kW), enquanto que a
durabilidade do seu principal componente, a pilha PAFC, subiu de 5 para 10 anos.
Para a instalação de uma planta PC400 no Brasil, foi considerado nesse estudo os
custos de importação, as tarifas e impostos, o transporte, assim como o custo de instalação e
partida da planta, conforme o método apresentado na Tabela 3.2 do capítulo três.
Nas Tabelas 4.4 e 4.5 e são apresentados os custos de uma planta PC400, considerando
os dois diferentes cenários de potência propostos anteriormente – 20 MW e 10 MW. Foi
utilizada uma taxa de câmbio de US$ 1,00 = R$ 2,00 (dólar comercial de set. 2012).
Tabela 4.4 – Estimativa de custos de capital de uma planta PureCell® Model 400 – 20 MW
Cenário 1: planta PC400 de 20 MWh
Custo de capital de 50 células PC400 a 3.000 US$/kW
Planta da pilha a combustível
Instalação da planta / transformador
Imposto de importação (II)14%
Imposto sobre produto industrializado (IPI) 5%
ICMS 18%
Frete internacional
Armazenagem
Seguro
Transporte nacional
Desembaraço/Sicomex/Despesas bancárias
TOTAL
Valor (US$)
60.000.000,00
7.058.823,00
550.800,00
600.000,00
1.129.200,00
Valor (R$)
120.000.000,00
14.117.646,00
16.800.000,00
6.000.000,00
21.600.000,00
1.101.600,00
1.200.000,00
2.258.400,00
204.720,00
95.280,00
183.377.646,00
Tabela 4.5 – Estimativa de custos de capital de uma planta PureCell® Model 400 – 10 MW
Cenário 2: planta PC400 de 10 MWh
Custo de capital de 25 células PC400 a 3.000 US$/kW
Planta da pilha a combustível
Instalação da planta / transformador
Imposto de importação (II)14%
Imposto sobre produto industrializado (IPI) 5%
ICMS 18%
Frete internacional
Armazenagem
Seguro
Transporte nacional
Desembaraço/Sicomex/Despesas bancárias
TOTAL
Valor (US$)
30.000.000,00
7.058.823,00
275.400,00
300.000,00
564.600,00
Valor (R$)
60.000.000,00
14.117.646,00
8.400.000,00
3.000.000,00
10.800.000,00
550.800,00
600.000,00
1.129.200,00
102.360,00
47.640,00
98.747.646,00
77
4.3 Análise financeira da usina termelétrica do Aterro Sanitário Bandeirantes
A proposta dessa pesquisa é realizar uma análise técnica e financeira no uso da nova
tecnologia de células a combustível no aterro Bandeirantes, em comparação com a atual
tecnologia de motogeradores. A outra proposta apresentada seria o uso do QRBBV em
substituição aos queimadores flare, porém, conforme verificado no capítulo três, esse
equipamento não poderá substituir os atuais flares, portanto, não será analisado.
Conforme a análise financeira realizada na etapa de projeto da UTEB (MDL-DCP,
2004; CDM-PDD, 2005; CDM-PDD, 2012), o empreendimento previa um retorno financeiro
igual ou superior a 23,3%, considerando as receitas da venda de energia elétrica e dos créditos
de carbono estimados no projeto. No entanto, verificou-se nesse estudo que a captura de
biogás do aterro Bandeirantes ficou 50% abaixo da estimativa, reduzindo tanto a geração de
energia elétrica, quanto os créditos de carbono.
Para a realização da análise financeira foram criados três diferentes cenários:
•
Cenário 1 - otimista: Análise financeira considerando as expectativas de geração de
energia e créditos de carbono, conforme o projeto original.
•
Cenário 2 - realista: Análise financeira considerando os resultados reais de geração
de energia e créditos de carbono da usina levantados na pesquisa.
•
Cenário 3 - uso da PAFC: Análise financeira considerando a substituição dos
motogeradores pela PAFC (planta PC400), em duas versões de potência: planta PC400
de 20 MW (similar a planta de motogeradores) e de 10 MW (metade da carga).
Para simplificação do estudo financeiro nos três diferentes cenários, foi considerado
que a usina termelétrica Bandeirantes (UTEB) é formada pela planta de captura e tratamento
de biogás, pertencente à empresa Biogás, e pela planta de energia (UTE), pertencente à
empresa Biogeração (empresa na época do grupo UNIBANCO).
Nesse estudo será feita uma análise financeira simplificada, desconsiderando taxas,
impostos e correções inflacionárias. Basicamente serão computados os custos de
investimento, manutenção e operação da UTEB e as receitas com a venda da energia elétrica e
dos créditos de carbono (RCE). Posteriormente, o fluxo de caixa anual obtido das receitas e
despesas da usina serão analisados pela Taxa Interna de Retorno (TIR), e os indicadores TIR
dos diferentes cenários propostos serão comparados e analisados.
78
4.3.1 Cenário financeiro 1 - otimista
De acordo com o banco investidor Unibanco (2004), os investimentos realizados na
construção da usina termelétrica Bandeirantes foram de R$ 48 milhões na planta de energia,
R$ 15 milhões na planta de biogás e R$ 1,5 milhões em obras de melhorias no bairro de Perus
(adequações ao MDL). O montante total investido no projeto foi de R$ 64,5 milhões.
A amortização do investimento da planta de energia foi estabelecida em 15 anos a uma
taxa de juros estimada em 15% ao ano, e a planta de biogás em 12 anos usando a mesma taxa
de juros (15%). No entanto, considerou-se que foi financiado somente 50% e o restante foi
capital próprio.
A receita da venda de energia foi obtida conforme a Equação 4 apresentada no capítulo
três, baseada nos preços médios nominais dos leilões de energias novas, e a receita dos
créditos de carbono foi calculada conforme a Equação 8 do mesmo capítulo.
De acordo com Costa Junior (2010), os principais custos da UTEB são: custo de
manutenção fixado a uma taxa referenciada na energia gerada em R$/kWh e custo operacional
com a folha de pagamento dos funcionários.
Os custos de manutenção são aqueles relacionados com a manutenção dos
motogeradores - troca de óleo, filtros, peças defeituosas e instalações, e que variam entre 0,03
e 0,18 R$/kWh (MARTINS, 2004). Para esse cálculo, fixou-se a taxa de manutenção em 0,04
R$/kWh, valor considerado adequado para a UTEB, devido ao uso de motogeradores de
grande capacidade e de um único fabricante (Caterpillar - Sotreq), o que reduz os custos de
manutenção.
O custo operacional foi calculado a partir do número de trabalhadores da usina, que é
de 33 funcionários conforme o organograma da empresa (CDM-MR n°17, 2006-),
estabelecendo-se um custo médio salarial de R$ 1.500,00 por funcionário (valor arbitrário) e o
mesmo valor foi usado no cálculo dos encargos trabalhistas, obtendo-se um custo operacional
anual com a folha de pagamento de R$ 1.287.000,00, incluindo neste cálculo o décimo
terceiro salário.
A partir desses dados, foi calculado o fluxo de caixa da usina desde o início das
atividades em 2004 até o encerramento em 2023 (período do projeto) e a partir do fluxo de
caixa foi calculado o indicador financeiro TIR (Taxa Interna de Retorno), conforme o gráfico
TIR1 apresentado na Figura 4.4.
79
ATERRO BANDEIRANTES
ANÁLISE FINANCEIRA - CENÁRIO 1
T IR1
(%)
60%
40%
20%
TIR
0%
-20%
-40%
-60%
20
23
20
22
20
21
20
20
20
19
20
18
20
17
20
16
20
15
20
14
20
13
20
12
20
11
20
10
20
09
20
08
20
07
20
06
20
05
20
04
-80%
ANO
Figura 4.4 – Cenário financeiro 1 (TIR1) – otimista
Pode-se verificar no gráfico TIR1 (cenário otimista) que a curva cruza a linha de 0%
um pouco antes de 2006 e alcança 23,3 % por volta de 2008. Em 2006 (TIR = 0%) o
indicador mostra que o investidor recuperou o capital investido sem lucro, e em 2008 (TIR =
23,3%), o investidor obteve o retorno financeiro esperado no projeto (payback) (MDL-DCP,
2004; PDD-CDM, 2005; PDD-CDM, 2012).
4.3.2Cenário financeiro 2 - realista
No Cenário 2, a receita da venda de energia e dos créditos de carbono foi calculada
com base nos valores realizados de vazão de biogás e geração de energia da usina, conforme
os dados coletados nos relatórios de monitoramento da UTEB (CDM-MR, 2006-),
apresentados nos gráficos de captura de biogás e geração de energia da Figura 4.2.
O cálculo dos custos da UTEB seguiu os mesmos procedimentos e valores utilizados
na análise do Cenário 1, ou seja, a taxa de manutenção de 0,04 R$/kWh e folha de pagamento
de R$ 1.287.000,00. A partir desses dados foi calculada a TIR2, conforme apresentada na
Figura 4.5.
80
ATERRO BANDEIRANTES
ANÁLISE FINANCEIRA - CENÁRIO 2
20%
TIR2
(%)
0%
-20%
TIR
-40%
-60%
-80%
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22
20
23
-100%
ANO
Figura 4.5 – Cenário financeiro 2 (TIR2) – realista
Pode-se verificar no gráfico TIR2 (cenário realista) que a curva cruza a linha de 0%
um pouco antes de 2009 e não atinge o retorno financeiro de 23,3 %, como no Cenário 1,
ficando próximo de 2% de 2009 até 2017, e depois um pouco abaixo de 0%, de 2017 até
2023. Verifica-se no Cenário 2 que a rentabilidade ficou bem abaixo do que no Cenário 1, o
que pode ser explicado pela redução de 50% na captura de biogás do aterro verificada
anteriormente, o que impactou nas receitas de energia e créditos de carbono da UTEB.
4.3.3 Cenário financeiro 3 – plantas PC400 de 20MW e 10MW
No Cenário 3 foi realizada a análise financeira da UTEB, na hipótese do uso da
tecnologia de células a combustível PAFC PureCell® Model 400 (PC400) na planta de
energia do aterro Bandeirantes ao invés dos motogeradores. Neste cenário foram utilizados os
valores reais de captura de biogás e não os valores estimados no projeto, e também foram
analisadas duas configurações diferentes de potência de PC400: 20 MW e 10 MW.
O custo do investimento na compra das PC400 foi realizado anteriormente, conforme
as Tabelas 4.4 e 4.5 (PC400-20 MW = R$ 183.377.646,00; PC400-10 MW = R$
98.747.646,00), sendo utilizada a mesma taxa de juros de 15% da planta de motogeradores, e
81
uso de 50% de capital próprio. Os demais custos do investimento na construção da planta de
captura e tratamento de biogás foi mantido como nos outros cenários.
Os custos da unidade de pré-tratamento de biogás (UPG) e da infraestrutura do pátio
para acomodação das PC400 não foram considerados neste cálculo, devido a esses custos
serem baixos em relação à planta de energia PC400, o que não afetaria o resultado final.
O custo de manutenção da PC400 foi fixado em 0,04 US$/kWh (TIERNEY, 2008), e o
custo operacional de toda a estrutura foi mantido igual aos cenários anteriores, ou seja, a folha
de pagamento anual ficou em R$ 1.287.000,00. Considerou-se que a operação da planta de
biogás demandaria serviço independentemente da tecnologia de geração de energia.
O cálculo das receitas da planta de energia PC400 seguiu o mesmo método de cálculo
dos outros cenários: foi calculada a geração anual de energia em função do metano capturado
e tratado do aterro, multiplicado pelo preço médio da energia do ambiente de contratação
regulada (EPE, 2008) para se encontrar a receita da energia, que depois foi somada à receita
dos créditos de carbono – esta última receita não teve alteração pois é naturalmente insensível
à tecnologia usada na planta de energia. Com base nos dados acima, foi feito o balancete das
duas configurações de planta de energia, PC400 – 20 MW e PC400 - 10 MW, e os resultados
obtidos são apresentados na Figura 4.6.
ATERRO BANDEIRANTES
0%
-20%
-40%
-60%
-80%
-100%
-120%
-140%
-160%
-180%
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
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15
20
16
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20
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20
20
20
21
20
22
20
23
TIR
ANÁLISE FINANCEIRA - CENÁRIO 3
Planta de energia com células a combustível
ANO
TIR3 (PC400-20MW)
TIR3 (PC400-10MW)
Figura 4.6 – Cenário financeiro 3 (TIR3) – plantas de energia PC400
82
Pode-se verificar no gráfico acima que a TIR3 em ambas as configurações de potência,
PC400 - 20 MW e PC400 - 10 MW, apresentaram resultados financeiros TIR abaixo de 0%, o
que representa um investimento não viável economicamente (prejuízo), pois não haverá
retorno do capital investido. Os trechos descontínuos no gráfico são gerados por erro no
cálculo da TIR que ocorre quando o índice está muito distante de zero.
O custo elevado da energia de células a combustível (U$ 3.000,00 /kWh) foi
determinante nesse resultado. Enquanto a planta de motogeradores de 22 MW tem um custo
em torno de R$ 65 milhões, o custo da planta de células a combustível PC400 – 20 MW ficou
em R$ 200 milhões e a PC400 – 10 MW ficou em R$ 115 milhões.
4.4 Discussão
A proposta desse trabalho foi investigar alternativas para equacionar o problema da geração de energia elétrica conciliado com a preservação ambiental. De certo modo, a humanidade já percebeu que não é mais possível utilizar a energia de forma indiscriminada no planeta, sem que cause graves problemas ambientais e reflexos na própria subsistência.
A energia elétrica também é um fator determinante no desenvolvimento de um país:
promove a industrialização, o desenvolvimento tecnológico, a comunicação em massa, gera
empregos, atrai negócios e também abastece os lares e seus eletrodomésticos. E a falta desta
leva países e sociedades ao subdesenvolvimento.
Por outro lado, o desenvolvimento da sociedade de consumo e descarte – em parte
promovido pela disponibilidade de energia – produz enormes quantidades de resíduos, que devem ser levados rapidamente a algum processo de tratamento e destinação final. O mais comum e barato sistema de tratamento de resíduos domésticos ainda é o aterro sanitário, principalmente nos países que ainda possuem áreas disponíveis no seu território, como no caso do
Brasil.
Certamente, essa discussão do que é mais indicado para o tratamento do lixo, se é o
aterro sanitário, a incineração, ou sistemas completos de triagem para separação, reciclagem e
reutilização de materiais e descarte de resíduos imprestáveis, ainda não possui um senso comum. Nos últimos anos países desenvolvidos como a Alemanha tem concedido licenciamentos a um número crescente de incineradores de lixo, outros países como a Suécia, Canadá,
83
Bélgica e Holanda, alguns desses incineradores têm sido desativados – devido a emissões de
super poluentes altamente prejudiciais à saúde (dioxinas e furanos) (EPE-NT, 2008).
Como toda tecnologia tem problemas, com os aterros sanitários não seria diferente. Os
aterros produzem poluentes nocivos, gerados pela degradação dos compostos químicos orgânicos e inorgânicos presentes nos materiais descartados, dentre os principais subprodutos desse processo estão o biogás e o chorume – líquido percolado que escorre do lixo. O chorume
deve ser recolhido e tratado, pois é altamente poluente quando penetra no solo, por isto os
aterros sanitários que seguem as normas ambientais possuem uma cobertura plástica na base
do aterro e um sistema de canais e tubos por onde o chorume é conduzido até o ponto mais
baixo do aterro, aonde fica um tanque para juntar o chorume, antes de ser tratado.
Em relação ao biogás, que é um gás composto principalmente por metano (CH 4) e dióxido de carbono (CO2), ambos gases de efeito estufa, o aterro deve evitar a sua emissão para a
atmosfera, o que é feito em grande parte através da incineração natural ou forçada. Porém, o
biogás também é um gás combustível e que deveria ser aproveitado para esse fim mais nobre
e não simplesmente queimado.
Portanto, vale a pena encontrar alternativas de aproveitamento do lixo que é destinado
aos aterros sanitários, tanto para fins de preservação da saúde pública e redução dos impactos
ambientais, como para o seu aproveitamento energético. A pesquisa seguiu essa linha e investigou o uso da tecnologia de células a combustível para geração de eletricidade a partir do gás
de aterro e a tecnologia de queimadores registradores de biogás à baixa vazão (QRBBV),
como alternativa aos queimadores flare.
No Capítulo 2, a pesquisa buscou entre vários autores de trabalhos científicos, o embasamento teórico para a proposta do uso dessas tecnologias, em resposta às tecnologias convencionais que são limitadas e de baixa eficiência. Dentre os trabalhos referenciados, estão
aqueles que desenvolveram processos de tratamento e reforma do biogás, os que investigaram
a melhoria da eficiência energética no uso das células a combustível, com o sistema de aproveitamento do calor desprendido na reação do hidrogênio para a reforma do combustível ou
aquecimento de processos industriais, e aqueles que realizaram de fato testes dessa tecnologia
em aterros sanitários, coletando preciosos dados.
No Capítulo 3, foram apresentados os métodos e procedimentos utilizados nesse estudo, tendo como objetivo primário, orientar e conduzir as investigações dos processos e siste-
84
mas pesquisados, para que os resultados alcançados fossem construídos dentro da lógica da
pesquisa, balizando e se apropriando da verdade sobre o objeto de estudo; o uso dessas novas
tecnologias em aterros sanitários, mais especificamente no Aterro Bandeirantes.
Nesse capítulo, foi apresentada uma alternativa de utilização do gasômetro do sistema
QRBBV – objeto dessa pesquisa - para extração do biogás das áreas antigas e pouco produtivas sem o uso de bombas e poupando energia. Essa proposta pode melhorar a eficiência do
sistema de extração do gás de aterro e deve ser investigada em uma nova pesquisa.
Na fase de resultados, verificou-se que a tecnologia de células a combustível não alcançou ainda um custo compatível para que pudesse ser utilizada no aterro sanitário Bandeirantes, em substituição à tecnologia de motogeradores. Nesse capítulo também foi verificado
a redução de cerca de 50% na geração de biogás do aterro Bandeirantes, em relação ao estimado na etapa de projeto. Esta situação foi verificada nos relatórios de monitoramento da usina (CDM-MR, 2006-) e também foi confirmada nos estudos realizados por Sampaio Junior
(2010).
O problema encontrado é que a baixa geração de biogás do aterro Bandeirantes, verificado na Figura 4.2, teve como consequência direta a redução das receitas de geração de energia e RCE, e como consequência indireta, impactou na sustentabilidade financeira do próprio
projeto Bandeirantes de energia, conforme verificado na análise financeira do Cenário 2 e na
Figura 4.5 desse capítulo. Logicamente, observando que as análises financeiras realizadas
nesse estudo são simplificadas e foram utilizadas unicamente para comparação entre os diferentes cenários propostos, e não para determinação da real condição financeira da usina.
No Capítulo 4 foram apontados alguns possíveis fatores que podem ter influenciado a
baixa geração de biogás do aterro Bandeirantes. Dentre esses fatores, a hipótese mais plausível seria de problemas na execução do projeto, fazendo com que o gás se perdesse ao longo
do tempo. Outra possibilidade poderia ser o subdimensionamento do sistema de desgaseificação, que não consegue extrair o gás de forma eficiente, ou uma conjunção de vários fatores.
Concluindo esta discussão, pode-se verificar através dos resultados obtidos que existe
a necessidade de mais estudos e de criar modelos mais precisos de estimativa de geração de
biogás na etapa de projeto de um aterro sanitário, para se determinar com maior exatidão o
potencial energético, a tecnologia de geração de energia a ser instalada e a viabilidade técnica
e econômica do empreendimento.
85
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Neste trabalho foi realizado um estudo sobre o projeto da usina termelétrica
Bandeirantes (UTEB). Buscou-se destacar os fatores referentes à eficiência do sistema e
soluções tecnológicas para sua melhoria.
Concluiu-se que a análise prévia a UTEB não confirmou suas expectativas de geração
de energia devido à geração de biogás estar abaixo do planejado em todo tempo de
funcionamento, sendo levantada a hipótese de que falhas na etapa de execução do aterramento
dos resíduos causaram perdas do gás, ou que o sistema de desgaseificação foi
subdimensionado.
Pode-se investigar em trabalhos futuros os principais fatores que reduziram a produção
de biogás no Aterro Bandeirantes e propor uma solução para melhorar a estimativa de produção de um aterro sanitário na fase de projeto, como de um sistema computacional para se determinar com maior exatidão os resultados de geração de biogás de um aterro.
Verificou-se que a tecnologia de queimador registrador de biogás de baixa vazão pode
ser uma alternativa de coleta de biogás nas áreas antigas do aterro Bandeirantes, como opção
tecnológica ao sistema de sucção e melhorando a eficiência energética da planta de biogás.
Sugere-se a continuação das pesquisas no uso dessa tecnologia.
Na fase de resultados, pode-se verificar que o problema proposto nesse trabalho, de
utilização da nova tecnologia de células a combustível para aumentar a eficiência energética e
a geração de energia no aterro Bandeirantes, ainda está limitada tecnologicamente e tem elevado custo de fabricação. Portanto, espera-se que os constantes avanços em materiais e processos construtivos dessa nova tecnologia possa em um futuro não muito distante, viabilizar o
uso das células a combustível em aterros sanitários.
No entanto, verificou-se que a célula a combustível PC400 pode alcançar eficiência
energética de até 90% do gás metano, quando utilizado o sistema de aquecimento CHP (Combined Heat and Power), e aproveitar o calor residual para gerar frio por absorção para condensar o vapor de água, ou integrado com algum empreendimento industrial que necessite de
energia elétrica e de calor na manufatura de produtos. Desse ponto de vista, a célula a com-
86
bustível é viável ambientalmente.
Mesmo considerando que os resultados da UTEB ficaram abaixo da expectativa, podese concluir pelo resultado ambiental e social, que o projeto do Aterro Bandeirantes, com a remediação do aterro e a aplicação de parte das receitas provenientes dos créditos de carbono
em melhorias do bairro de Perus no entorno do aterro, que esse projeto alcançou pleno êxito.
Em relação à aplicação da tecnologia de células a combustível em aterros sanitários,
como no caso do Aterro Sanitário Bandeirantes, conclui-se que essa tecnologia ou deve ser
desenvolvida para uma redução significativa do custo do kWh ou deve haver subsídios governamentais que compensem o seu elevado custo, considerando que os subsídios seriam uma
forma justa de compensação por serviços ambientais prestados, para que essa energia limpa e
ecologicamente eficiente possa compensar outras fontes de energia que causam impactos ambientais.
87
REFERÊNCIAS
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90
APÊNDICE A – Questionário aplicado na visita ao Aterro Sanitário Bandeirantes realizada
em 23 jan. 2012
Data: 23/01/2012 – 10:00 hrs.
Local: Usina Termelétrica Bandeirantes do Aterro Bandeirantes; Rua Mogeiro, 1.580, Perus/São
Paulo/SP, ou km 26 da rodovia dos Bandeirantes.
Representante da usina: Eng. Anderson
Questionário:
1.
Quais as características dos resíduos depositados no aterro? Existe algum estudo da
composição dos resíduos - matéria orgânica degradável e tipos de resíduos - que foram depositados ao
longo do tempo?
R:
2.
Qual a quantidade de resíduos depositada desde o início do aterro? Existe algum estudo ou
estimativa da quantidade/ano de resíduos depositados?
R: Quantidade de aproximadamente 40 milhões de toneladas. Não existe nenhum estudo, em função
do aterro atender a demanda de ½ do resíduo produzido na cidade de SP (média de 7 mil ton/dia).
91
3.
Qual é a vazão atual de biogás e a taxa de decaimento a partir do encerramento do aterro
(2007)? Qual é a vazão anual de biogás e a composição de gases do biogás? Qual modelo foi
adotado para o cálculo da geração de biogás (MDPO?)? Se possível disponibilizar esses dados.
R:Vazão atual de 4750 Nm³/h com taxa de decaimento de 20% ao ano. Cabe lembrar que taxa
de decaimento foi mais acentuada nos primeiros anos após o encerramento do aterro e hoje
essa taxa encontra-se estável entre 10% e 8% ao ano. O modelo adotado para a estimativa dos
créditos foi ACM 0001.
4.
Quantos poços de captação de biogás têm o aterro Bandeirantes? Quantos poços estão
atualmente em operação e em que áreas?
R: 274 poços conectados, todos em operação contemplando toda área do aterro Bandeirantes.
5.
Qual é a capacidade de tratamento da planta de biogás? Quais são as características físicas e
químicas do biogás na saída da planta de biogás? Composição de gases (CH4, CO2, O2, H2S, etc.),
temperatura, umidade e vazão.
R: A capacidade da planta de biogás é de 18.000 Nm³/h. A caracterização do gás de aterro eu não estou
autorizado a divulgar.
6.
Qual é a capacidade de geração da planta de energia (MW)? Qual é a eficiência
energética dos geradores? Como é realizada a manutenção dos geradores? Existe uma estimativa
de “custo de manutenção/KW” dos geradores? Em relação à manutenção dos geradores, existe
estima de troca de peças e lubrificante por tempo de uso? Qual é o tempo de vida útil dos
geradores (taxa de depreciação)?
R: A capacidade de geração da planta é de 20MWh. Eficiência de 40% para os motores e 97%
para o gerador de energia. A manutenção é realizada pelo número de horas (Ver manual da
Caterpillar). Não existe estimativa de custo de manutenção por KW. Em relação a troca peças
(Ver manual Caterpillar). Tempo de vida útil dos geradores (Ver manual Caterpillar).
92
7.
Quanta energia a usina produz atualmente – média anual de geração? Qual é a eficiência
energética da Usina Bandeirantes? Qual é o custo do MWh gerado pela usina? Por quanto é vendido o
MWh? A usina possui algum incentivo fiscal/financeiro/subsídio para a geração/transmissão de energia
renovável?
R: A usina produz 7,0 MWh, média de 61320 MW por ano. Quanto a valores eu não estou autorizado a
disponibilizar.
8.
Em relação às emissões de gases provenientes da planta de energia, qual a quantidade e
composição desses gases? Existe algum sistema de filtros instalados nos geradores? Existe
instrumentação de monitoramento dos gases ou análise periódica das emissões? É feita análise
química dos gases dos geradores? Que tipo de análise e em que freqüência?
R: Não possuímos nenhuma caracterização do efluente gasoso da planta de energia. O que é
feito é apenas uma análise de NOx quando solicitado pelo órgão ambiental.
9.
Em relação à operação da planta de energia, existe isolamento acústico nos geradores,
ou no local dos geradores? Qual é o nível de ruído emitido pela planta de energia para o
ambiente interno/externo (dB)? Os funcionários precisam utilizar abafadores de ruídos (EPI)?
Em quais locais?
R: Existe isolamento acústico na planta de energia, como verificado. Nível de ruído interno de
~ 150 dB e externo inferior a 50 dB. Os funcionários tem que usar protetor auricular e
abafadores de ruído tipo colcha no interior da usina de geração.
10.
Em relação à tecnologia de geração de energia utilizada pela Usina Bandeirantes,
porque foi escolhida essa tecnologia de moto geradores? Foi estudada alguma outra tecnologia
de geração de energia? Qual(is)?
R: Foi escolhida esta tecnologia em função de ser mais viável na época.
93
ANEXO A – Tela do PLC (Allen Bradley) com o sistema de supervisão SCADA da planta de
biogás (foto tirada por Costa Junior, em 12 de fevereiro de 2010)
Fonte: foto tirada em 12 de fevereiro de 2010 por Costa Junior (2010)
94
ANEXO B – Tela do PLC (Allen Bradley) com o sistema de supervisão SCADA da planta de
biogás (foto tirada por Costa Junior em 23 de janeiro de 2012)
Fonte: foto tirada em 23 de janeiro de 2012 por Costa Junior (2012)
95
ANEXO C – Esquema da planta de biogás do Aterro Sanitário Bandeirantes
Fonte: (CDM-PDD, 2012)
Legenda:
- FIR100 : Medidor de vazão total (tipo turbina) – localizado na tubulação principal
- FIR200 e FIR700 : Medidor de vazão (tipo turbina) – localizados nas tubulações dos flares
- F100 e F200 : Flares de elevada temperatura - vazão máxima de 2.500 Nm3/h
- FIR300, FIR400, FIR500, FIR600 : Medidores de vazão (tipo turbina) – localizados nas
tubulações de entrega de biogás à Biogeração (planta de energia)
- Gas Analyzer : Medidor da fração de metano no biogás (%CH4)
- PLC : Programmeble Lógic Controler (Allen Bradley)
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ANEXO D – Detalhes construtivos da PAFC de 400 kW fabricada pela UTC Power
Fonte: adaptado (TIERNE7Y, ROBERT J., 2008)