UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES
TRÁS
MONTES E ALTO DOURO
ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
Limpeza e Purificação de Biogás
Cláudio Alexandre Batista Veloso e Silva
Julho de 2009
Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção
do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do
Professor Nuno Afonso Moreira e Co-orientação científica do Professor Doutor
Amadeu Borges, ambos do Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e
Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
Dedico este trabalho aos meus pais, José Silva e Ana Batista,
Pois a vocês, devo tudo o que sou hoje…
Às minhas manas, Solange e Vanda…
Continuem sempre assim…
À minha querida Martha,
Obrigado por toda a paciência dedicação e compreensão…
Obrigado por seres “assim” tão especial…
A todos o meu Muito Obrigado
Agradecimentos
Ao Prof. Nuno Moreira, expresso a minha gratidão pelo interesse e dedicação
que sempre demonstrou durante a realização deste trabalho, pelos comentários sempre
oportunos e pela completa disponibilidade que sempre demonstrou.
Ao Prof. Doutor Amadeu Borges, que sempre que possível se mostrou
disponível para aconselhamento e esclarecimento de todas as dúvidas existentes durante
a realização deste trabalho.
Á Suldouro, por fornecimento de material, o qual permitiu valorizar de forma
significativa o presente trabalho.
A todos os Professores do Departamento de Engenharia Mecânica, pelo exemplo
e pela sua excelente relação com os alunos.
A todos os colegas e amigos que ajudaram de forma directa ou indirecta na
realização do presente trabalho.
i
Resumo
A intensa participação das fontes não renováveis na oferta mundial de energia
constitui um desafio para a sociedade, na busca por fontes alternativas de energia. E isso
não pode demorar a ocorrer, sob o risco de o mundo, literalmente, entrar em colapso,
pelo menos se for mantido o actual modelo de desenvolvimento, em que o petróleo tem
uma importância vital. Actualmente, despontam novas fontes de energia que poderão,
no futuro, desempenhar o papel que o petróleo desempenhou até o momento, tais como:
a energia solar, o hidrogénio, a eólica, a biomassa, biogás, entre outras. Uma das formas
mais interessantes é a utilização do biogás como fonte alternativa de energia,
principalmente em pólos agro-pecuários, aterros, etar’s, nos quais, há uma imensa
disponibilidade de resíduos que poderiam ser transformados em bioenergia, reduzindo,
assim, os custos de produção e os impactos ambientais gerados pelo despejo directo
desses resíduos na natureza. Nestes sistemas, existem diversas formas de
aproveitamento do biogás tanto na geração de calor quanto na geração de energia
eléctrica, em conjuntos motogerador. Entretanto, necessita-se de um maior
desenvolvimento tecnológico no sentido de um melhor aproveitamento e melhoria da
eficiência durante o uso do biogás. Uma das formas utilizadas para melhoria do
aproveitamento do biogás consiste em eliminar da sua composição substâncias
corrosivas, como o ácido sulfídrico e que reduzam o poder calorífico, como o CO2
(dióxido de carbono). Para uma maior eficiência e rentabilidade da utilização desta
fonte de energia renovável, é necessário saber qual a sua utilização final, para desta
forma se poder seleccionar um dos processos de purificação e limpeza que seja o mais
adequado.
ii
Abstract
The intense involvement of non-renewable sources in global energy supply is a
challenge to society in the search for alternative energy sources. This fact can not take
the place, under the risk of the world, literally go into collapse, at least currently, were
the development model shows the oil as vital. Today, new sources of energy emerge, for
the future to play the role of oil, such as solar energy, hydrogen, wind, biomass, biogas,
among others. One of the most interesting of these sources it’s the use of biogas as an
alternative source of energy, especially in agro-livestock centers, landfills, where there
is a huge availability of waste that could be turned into bioenergy, reducing the costs of
production and environmental impacts generated by the direct dumping of waste in
nature. In these systems, there are various forms of exploitation of biogas to generate
heat as well as to generate electricity in generator. However, need is a further
technological development towards a better recovery and improved efficiency in the use
of biogas. One of the ways used to improve the use of biogas is to eliminate the
composition of corrosive substances such as hydrogen sulphide that reduce the calorific
value of biogás, such as CO2 (carbon dioxide).
For greater efficiency and profitability of the use of this renewable energy source, we
must know what their purpose, thus being able to select one of the processes of
purification and cleansing that is most appropriate.
iii
Índice
Agradecimentos..............................................................................................i
Resumo..........................................................................................................ii
Abstract ........................................................................................................iii
Índice ............................................................................................................iv
Índice de tabelas ..........................................................................................vii
Índice de figuras .........................................................................................viii
Capítulo 1
Politicas de Renováveis e Biogás.................................................................. 1
1.1 Directiva 55/2003................................................................................................................ 3
1.2 Objectivos para 2020........................................................................................................... 4
1.3 Objectivos ........................................................................................................................... 6
1.4 Conteúdo do trabalho .......................................................................................................... 6
Capítulo 2
Bio-recursos................................................................................................... 8
2.1 Biomassa animal ................................................................................................................. 9
2.2 Biomassa florestal ............................................................................................................. 10
2.3 Biomassa agrícola ............................................................................................................. 10
2.4 Biomassa do sector pesqueiro ........................................................................................... 11
Capítulo 3
Biodigestores...............................................................................................12
iv
3.1 Biodigestor de abastecimento contínuo............................................................................. 15
3.1.1 Modelo indiano .......................................................................................................... 15
3.1.2 Modelo chinês ............................................................................................................ 17
3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo não contínuo ............................................................ 19
Capítulo 4
Biodigestão..................................................................................................21
4.1 Fases da digestão anaeróbia .............................................................................................. 23
4.1.1 Hidrólise..................................................................................................................... 23
4.1.2 Acidogênese ............................................................................................................... 23
4.1.3 Acetogênese ............................................................................................................... 24
4.1.4 Metanogênese............................................................................................................. 25
4.2 Estudos referentes á digestão anaeróbia............................................................................ 27
Capítulo 5
Biogás..........................................................................................................28
5.1 Biogás de aterro................................................................................................................. 31
5.2 Biogás de etar.................................................................................................................... 37
5.3 Biogás de explorações agro-pecuárias .............................................................................. 38
5.4 Biogás de CVO ................................................................................................................. 39
5.5 Produção de biogás............................................................................................................ 39
5.6 Aproveitamento de biogás e sua valorização .................................................................... 40
5.6.1 Energia injectada na rede nacional de energia eléctrica............................................. 41
5.6.2 Biometano injectado na rede nacional de gás natural ................................................ 42
5.6.3 Biogás liquefeito para utilização em veículos adaptados ........................................... 47
5.7 Entidades envolvidas na produção e distribuição do biometano....................................... 51
5.7.1 Fornecimento de biomassa ......................................................................................... 52
5.7.2 Produção de Biogás.................................................................................................... 52
5.7.3 Comercializador de biogás ......................................................................................... 52
5.7.4 Operador da rede de distribuição................................................................................ 53
v
5.8 Produção de biogás na Europa .......................................................................................... 54
Capítulo 6
Processos de purificação de biogás ............................................................. 57
6.1 Purificação por membrana ................................................................................................ 58
6.2 Purificação utilizando WS................................................................................................. 59
6.3 Purificação utilizando PSA ............................................................................................... 60
6.4 Purificação utilizando tecnologia criogénica .................................................................... 62
6.5 Purificação utilizando CO2 Wash...................................................................................... 65
Capítulo 7
Caso de estudo............................................................................................. 70
7.1 Requisitos para CVO......................................................................................................... 70
7.2 Proposta de instalação ....................................................................................................... 72
7.3 Estudo de viabilidade ........................................................................................................ 82
7.3.1 Custo de produção do biogás...................................................................................... 82
7.3.2 Investimento ............................................................................................................... 83
7.3.3 Venda de Biometano .................................................................................................. 84
Capítulo 8
Conclusões................................................................................................... 86
Anexos.........................................................................................................91
vi
Índice de tabelas
Tabela 1 - Potencial energético máximo de biomassa animal em Portugal. .................. 9
Tabela 2 - Potencial disponível de biomassa florestal em Portugal............................ 10
Tabela 3 - Energia potencial contida em resíduos agrícolas em Portugal. .................. 11
Tabela 4 - Desenvolvimento histórico da tecnologia de biodigestão anaeróbia. .......... 27
Tabela 5 - Composição química do biogás típico. ................................................... 28
Tabela 6 - Composição de biogás de diferentes fontes............................................. 30
Tabela 7 - Relação comparativa de 1m3 de biogás com combustíveis usuais. ............. 30
Tabela 8 - Contribuição do biogás para o efeito de estufa. ....................................... 36
Tabela 9 - Necessidade de remoção de gases e de outros componentes do biogás....... 41
Tabela 10 - Estado da utilização e abastecimento de LBG em veículos. .................... 51
Tabela 11 - Empresas nacionais a operar no SNGN. ............................................... 54
Tabela 12 - Temperaturas de condensação à pressão atmosférica, para os diferentes
constituintes do biogás......................................................................................... 63
Tabela 13 - Garantias de produção e composição do biogás. .................................... 71
Tabela 14 - Tarifa paga mediante a finalidade do biogás. ........................................ 87
Tabela 15 - Receita para o presente caso de estudo, mediante a finalidade do biogás. . 87
vii
Índice de figuras
Figura 1 - Montagem de um biodigestor. ............................................................... 13
Figura 2 - Biodigestor em funcionamento. ............................................................. 13
Figura 3 - Esquema biodigestor, ........................................................................... 14
Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. .................................... 16
Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano................................... 17
Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chinês. ...................................... 18
Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chinês. ................................... 19
Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada.............................................. 20
Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada.......................................... 20
Figura 10 - Processo de digestão anaeróbia. ........................................................... 21
Figura 11 - Esquema da digestão anaeróbia da matéria orgânica............................... 22
Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitário......................................................... 32
Figura 13 - Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário. ..................... 33
Figura 14, Recolha de biogás nos poços de drenagem. ............................................ 33
Figura 15 - Rede de colecta de biogás. .................................................................. 34
Figura 16 - Grupo de geradores a biogás................................................................ 35
Figura 17 - Diagrama de um sistema de cogeração.................................................. 37
Figura 18 - Grupo motogerador a biogás................................................................ 38
Figura 19 - Sistema nacional de gás natural (SNGN). ............................................. 43
Figura 20 - Redes de distribuição abastecidas por UAC........................................... 46
viii
Figura 21 - Redes de distribuição ligadas à rede de transporte.................................. 47
Figura 22 - Abastecimento de veículo movido a LBG. Fonte: .................................. 50
Figura 23 - Pormenor do veículo movido a LBG. ................................................... 50
Figura 24 - Produção de biogás na Europa. ............................................................ 55
Figura 25 - Centrais de purificação de biogás com injecção na rede de Gás natural na
Europa. .............................................................................................................. 56
Figura 26 - Esquema de um filtro de membrana. .................................................... 59
Figura 27 - Esquema de purificação (Water scrubbin). ............................................ 60
Figura 28 - Esquema de captação de impurezas do biogás PSA (Pressure Swing
Adsorption). ....................................................................................................... 61
Figura 29 - Esquema de purificação PSA (Pressure Swing Adsorption). ................... 62
Figura 30 - Esquema de purificação (CBG & LBG Cryogenic technology) ............... 64
Figura 31 - Esquema de purificação (CO2 Wash).................................................... 65
Figura 32 - Comparação da perda de CH4 em processos de purificação..................... 68
Figura 33 - Poupança de Energia (%) utilizando Cryogenic Technology. .................. 69
Figura 34 - Localização da implementação da CVO no aterro de Sermonde. ............. 70
Figura 35 - Unidade de enriquecimento de biogás, BGA 500. .................................. 81
Figura 36 - Esquema de uma unidade de enriquecimento de biogás, 2x BGA 1000. ... 81
ix
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 1
Politicas de Renováveis e Biogás
Após a ratificação do Protocolo de Quioto, onde assumiu o compromisso de
reduzir a emissão de gases que contribuem para o efeito de estufa, a União Europeia
fixou como objectivo duplicar, no espaço de dez anos, a quota de utilização de energias
renováveis. Estabeleceu, deste modo, as seguintes metas indicativas globais para a
produção de energia, em 2010, a partir de fontes renováveis:
 12% do consumo nacional bruto de energia;
 22,1% da electricidade produzida.
Como o potencial de exploração de fontes de energia renováveis não se encontra
suficientemente aproveitado na União Europeia, esta reconhece, através da Directiva
2001/77/CE, a necessidade de se promover à sua produção, tanto mais que essa
exploração contribui para a protecção do ambiente e o desenvolvimento sustentável.
Além disso, a exploração dessas energias pode gerar novos postos de trabalho a nível
local (e, por essa via, apresentar impactos positivos ao nível da coesão económica,
social e territorial), contribuir para a segurança do abastecimento, tornando, então,
possível a consecução dos objectivos estabelecidos em Quioto. Assim sendo, cada
Estado Membro deve tomar as medidas apropriadas para promover o aumento do
consumo de electricidade produzida a partir de fontes de energia renováveis.
Por sua vez, em 2003, a Directiva 2003/30/CE – relativa à promoção da utilização de
biocombustíveis ou de outros combustíveis renováveis nos transportes, considera que os
Estados Membros deverão assegurar a colocação nos seus mercados de uma proporção
mínima de biocombustíveis e de outros combustíveis renováveis e estabelece, mesmo,
metas indicativas para esse efeito:
1
Limpeza e Purificação de Biogás
 Até 2005 – 2% de toda a gasolina e gasóleo utilizados ao nível dos transportes;
 Até final 2010 – 5,75% de toda a gasolina e gasóleo utilizados para efeitos de
transportes.
Ficaram, desta forma, estabelecidos objectivos concretos no que respeita à produção de
energia eléctrica e de biocombustíveis. Tendo em vista, por outro lado, a diminuição das
emissões de CO2, a União Europeia comprometeu-se a reduzir em 8%, em relação ao
nível de 1990, estas emissões no período compreendido entre 2008 e 2012 e, através
dessa redução, vir a atingir os objectivos a que se propôs aquando da ratificação do
protocolo de Quioto.
O aumento da utilização de energias renováveis é imprescindível, não só por questões
de natureza ambiental, mas também, de natureza económica. É nesse sentido que a
utilização da biomassa, como fonte de energia, deve ser equacionada e fomentada, pois,
para além de, por essa via, se incrementar o aparecimento e desenvolvimento de
empresas locais, o que constitui uma fonte de rendimento alternativa (Direcção regional
de agricultura entre Douro e Minho).
O Parlamento Europeu já tinha exigido, no contexto da adopção das duas
directivas relativas à concretização do mercado interno da energia (Directiva 54/2003 e
Directiva 55/2003), que a abertura total dos mercados energéticos fosse complementada
obrigatoriamente por medidas do lado da procura. Por isso, a proposta da Comissão em
apreço tem de ser encarada como parte de uma série de medidas legislativas no domínio
da política energética, cujo objectivo consiste, em última análise, garantir o
aprovisionamento energético na Europa.
Além das duas directivas mencionadas, relativas ao mercado interno da energia, estas
medidas incluem diversos actos jurídicos que visam o melhoramento da eficiência
energética, como, por exemplo, a Directiva relativa à cogeração, a Directiva relativa à
melhoria do rendimento energético em edifícios, a proposta da denominada Directiva
"Eco-Design", relativa aos requisitos de concepção ecológica dos produtos que
consomem energia, a presente proposta de directiva relativa à eficiência na utilização
2
Limpeza e Purificação de Biogás
final de energia e aos serviços energéticos, assim como a Directiva 2001/77/CE, relativa
à promoção da electricidade produzida a partir de fontes de energia renováveis no
mercado interno da electricidade. Para se alcançarem os objectivos estabelecidos para as
energias renováveis na Directiva 2001/77/CE até 2010 e um objectivo de 20 % de
energias renováveis no consumo total de energia da UE no ano 2020, é imprescindível
actuar também no domínio da eficiência energética e da poupança de energia. O
presente projecto de directiva representa um contributo importante para a consecução
dos objectivos do Protocolo de Quioto, (Comissão da Indústria, do Comércio Externo,
da Investigação e da Energia).
Tendo em conta todos os objectivos impostos e propostos por Portugal, a
produção de biometano é uma solução que, para além de diminuir significativamente a
emissão de CH4 para a atmosfera, originada pela decomposição não controlada de
resíduos orgânicos, faz o seu aproveitamento energético através da captação do CH4.
Assim sendo, há a necessidade de proporcionar a esta forma de aproveitamento
energético todas as condições possíveis para a sua exploração, sem discriminação.
1.1 Directiva 55/2003
Os Estados-Membros deverão garantir que, tendo em conta as necessárias
exigências de qualidade, o biogás e o gás proveniente da biomassa ou outros tipos de
gás beneficiem de acesso não discriminatório à rede de gás, desde que esse acesso seja
permanentemente compatível com a regulamentação técnica e as normas de segurança
relevantes.
Essa regulamentação e normas devem garantir que os referidos gases possam ser
injectados e transportados na rede de gás natural, do ponto de vista técnico e de
segurança, e devem abranger igualmente as características químicas desses gases,
(Directiva 55/2003/CE).
3
Limpeza e Purificação de Biogás
1.2 Objectivos para 2020
A decisão do Conselho Europeu, de Março de 2007, de fixar objectivos precisos
juridicamente vinculativos traduz de forma clara a determinação da União Europeia.
Esta decisão não foi tomada de ânimo leve, uma vez que a procura de soluções
adequadas condiciona a prosperidade da economia europeia. Dispomos hoje de provas
irrefutáveis de que os custos da inacção seriam devastadores para a economia mundial,
dado que acarretariam uma perda do PIB mundial compreendida entre 5 e 20%, segundo
dados do Relatório Stern2. Paralelamente, os recentes aumentos dos preços do petróleo
e do gás evidenciaram a que ponto a concorrência no sector energético está a aumentar
de ano para ano e que a eficiência energética e as energias renováveis podem constituir
investimentos rentáveis. É neste contexto que se inscreve a decisão dos responsáveis da
UE de se comprometerem a transformar a economia europeia, desafio que pressupõe
importantes esforços políticos, sociais e económicos.
Simultaneamente, a mudança pode servir de trampolim para a modernização da
economia europeia, orientando-a para a construção de um futuro no qual as tecnologias
e a sociedade estejam adaptadas às novas necessidades e no qual sejam criadas novas
oportunidades de crescimento e de emprego.
O Conselho Europeu fixou dois objectivos principais:
 Reduzir, até 2020, as emissões de gases com efeito de estufa, G.E.E., em pelo
menos 20%, aumentando até 30% caso se obtenha um acordo internacional que
vincule outros países desenvolvidos a "atingir reduções de emissões
comparáveis, e os países em desenvolvimento economicamente mais avançados
contribuam adequadamente, de acordo com as suas responsabilidades e
respectivas capacidades".
 Elevar para 20% a parte das energias renováveis no consumo energético da UE
até 2020.
4
Limpeza e Purificação de Biogás
O Conselho Europeu acordou que a melhor forma de atingir objectivos tão ambiciosos
consiste em assegurar que cada Estado-Membro saiba exactamente o que se espera e
que os objectivos sejam juridicamente vinculativos. Tal permitirá accionar plenamente
os mecanismos públicos e dar ao sector privado uma confiança a longo prazo,
indispensável à realização dos investimentos necessários para converter a Europa numa
economia de baixo teor de carbono e com uma elevada eficiência energética. A
determinação de que deu provas o Conselho Europeu mostrou aos nossos parceiros
internacionais que a UE está verdadeiramente decidida a passar da palavra à acção. Esta
estratégia deu os seus frutos na Conferência das Nações Unidas sobre alterações
climáticas realizada em Bali, em Dezembro de 2007, na qual a União Europeia
desempenhou um papel essencial na obtenção de um acordo sobre o roteiro, que visa
conseguir, até 2009, um novo acordo global sobre a redução de emissões.
Esta situação veio reforçar a determinação da EU de avançar com o seu compromisso de
luta contra as alterações climáticas, para mostrar que está disposta a dar força à sua
convicção de que os países desenvolvidos podem e devem comprometer-se a reduzir em
30% o nível das suas emissões até 2020. A UE deverá continuar a assumir uma posição
de liderança na negociação de um acordo internacional ambicioso, (COM, 2008).
A produção de biogás, poderá representar uma ajuda importante no que se refere
às políticas de eficiência energética e redução de emissões de G.E.E., para que Portugal
atinja com sucesso as metas a que se propôs.
Através do seu aproveitamento energético, atenua-se significativamente as emissões de
G.E.E., tais como CH4, CO2, e diminui-se ainda a necessidade de consumo de
combustíveis tradicionais.
Assim sendo, verifica-se que o aproveitamento energético de resíduos orgânicos para
produção de biometano é, sem dúvida um caminho com elevado potencial que deverá
ser explorado.
5
Limpeza e Purificação de Biogás
1.3 Objectivos
O objectivo do presente Trabalho é avaliar e dar a conhecer as potencialidades
presentes nos resíduos orgânicos provenientes de diversas fontes, das quais há a
possibilidade de se extrair gás combustível, denominado de biogás. Em alguns países da
EU, à muito que esta fonte de energia, considerada renovável, é aproveitada, o que
demonstra o significativo avanço destes países em relação a Portugal. É sabido que
Portugal, apenas recentemente começou a fazer o aproveitamento de biogás, em grande
escala, resultante da decomposição de resíduos provenientes de Aterros, Etar’s e
explorações Agro-pecuárias. Embora actualmente, já se verifica um maior interesse pelo
desenvolvimento de novas tecnologias e de implementação de estações de captação,
tratamento e distribuição de biogás, a nível nacional.
Desta forma, tendo como objectivo informar e sensibilizar a população em geral, os
interessados do sector, bem como potenciais investidores, para as potencialidades desta
fonte de energia renovável, evidenciando as vantagens e as possibilidades desta
aplicação. Será efectuada uma descrição acerca das potencialidades do biogás, do que já
é feito no resto do mundo para o seu aproveitamento, tendo em conta a proveniência e
tratamento de resíduos, tecnologias de captação, limpeza e purificação do Biogás, bem
como a finalidade desta fonte de energia renovável.
1.4 Conteúdo do trabalho
O presente trabalho divide-se em 8 (oito) capítulos, incluindo este de Introdução,
com o objectivo de dar a conhecer as políticas energéticas adoptadas pela União
Europeia, bem como por Portugal. Políticas essas, que possibilitam a que se atinjam as
metas impostas na redução de emissões de G.E.E., bem como no consumo de
combustíveis tradicionais.
É ainda constituído por um último capítulo onde são apresentadas as conclusões
principais do trabalho e propostas de trabalho futuro.
6
Limpeza e Purificação de Biogás
O Capítulo 2 faz uma descrição acerca da variedade de bio-recursos que têm
viabilidade para produção de biogás. São apresentados breves de resumos dos vários
sectores, bem como quantidades disponíveis biomassa em Portugal.
O Capítulo 3 dá a conhecer a diversidade de biodigestores utilizados na
produção de biogás. Desta forma, é descrito cada um deles isoladamente, salientando
características e qual a sua melhor aplicação.
O Capítulo 4 descreve sucintamente todo o processo de digestão anaeróbia,
isolando cada um dos seus passos, para uma melhor compreensão acerca desta
transformação.
O Capítulo 5 explica o que é o biogás, dando a conhecer a sua composição
típica. É descrito o processo de produção de biogás, tendo em conta a sua proveniência,
bem como as possibilidades do seu aproveitamento energético. É efectuada uma breve
apresentação da produção de biogás na Europa. É ainda apresentada uma breve
descrição acerca das entidades envolvidas na produção e distribuição de biometano.
O capítulo 6 descreve pormenorizadamente os processos de limpeza e
purificação mais utilizados em grande escala. É apresentado, a título de curiosidade um
estudo comparativo de processos de limpeza e purificação, mostrando as perdas de CH4
bem como eficiência energética.
O Capítulo 7 apresenta um caso de estudo de uma CVO, com uma proposta de
equipamento para limpeza e purificação de biometano para posterior injecção na rede de
gás natural. É ainda efectuado um estudo de viabilidade económica para este caso
prático.
7
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 2
Bio-recursos
Os possíveis resíduos a ser utilizados, geralmente denominados de biomassa,
podem ser quaisquer materiais passíveis de serem decompostos por causas biológicas,
ou seja, pela acção de diferentes tipos de bactérias. A biomassa decomposta sob a acção
de bactérias metanogénicas, (produtoras de metano), produz biogás em maior ou menor
quantidade, em virtude de diversos factores, tais como: temperatura, nível de ph, relação
Carbono/Nitrogénio, presença ou não de oxigénio, nível de humidade, quantidade de
bactérias por volume de biomassa, entre outros. A matéria orgânica a ser decomposta
existe em quantidades abundantes, em todos os lugares do planeta, existindo uma
grande concentração de seres vivos, (tanto vegetais como animais), haverá
necessariamente uma quantidade significativa de biomassa disponível.
A biomassa pode ser constituída por apenas um ou um conjunto de resíduos, tais como:
 Madeira e seus resíduos;
 Resíduos agrícolas e/ou florestais;
 Resíduos municipais sólidos;
 Resíduos de animais;
 Resíduos de produção alimentar;
 Plantas aquáticas e algas.
8
Limpeza e Purificação de Biogás
É de grande importância salientar que diferentes resíduos originam diferentes
quantidades de biogás.
Em Portugal os sectores que dão origem a quantidades avultadas de resíduos adequados
ao processo da digestão anaeróbia são os da agro-pecuária, os resíduos sólidos urbanos,
as lamas das estações de tratamento dos esgotos domésticos e os efluentes da indústria
alimentar e seus derivados.
2.1 Biomassa animal
Na tabela 1 é apresentado o potencial energético máximo de biomassa animal, ou seja
proveniente do sector da agro-pecuária.
Tabela 1 - Potencial energético máximo de biomassa animal em Portugal.
Espécie
Efectivo
Pecuário (103
cab.)
Biogás/ano
(103 m3)
106 Kcal
103 tep
103 Kw
Suinicultura
2 365
110 000
572 000
52
379
Matadouros
Suínos
1 000
6 000
31 200
3
184
Bovinicultura
1 324
386 608
2 010 362
183
11 877
Avicultura
37 908
78 433
407 850
37
2 410
581 041
3 021 412
275
17 851
TOTAIS
(Fonte: Suínos e matadouros de suínos - DGV; Restantes espécies RGA99)
Segundo um estudo efectuado pela DGV, Representado na tabela 5, estima-se em 275
000tep, tonelada equivalente de petróleo, o potencial energético teórico máximo em
biomassa animal, resultante do aproveitamento integral dos efluentes do efectivo
pecuário total estabulado/sem terra (suínos, aves, bovinos) bem como dos matadouros
de suínos, existentes no país.
9
Limpeza e Purificação de Biogás
2.2 Biomassa florestal
Sobre o aproveitamento de biomassa florestal para fins energéticos, alguns
estudos concluíram que apesar da abundância do recurso (38% do território nacional é
coberto pela floresta), existe dificuldade em conseguir a sua concretização,
fundamentalmente por razões sociais, económicas e técnicas. No entanto, é reconhecida
a importância deste recurso endógeno para aproveitamento energético, susceptível de
um óbvio interesse comercial e oportunidades de negócio. Acresce que a actual política
de defesa da floresta contra os incêndios e até mesmo a ocorrência de incêndios
florestais no nosso país, sustentam, por um lado, a existência de mercado para a
biomassa florestal.
A tabela 2 mostra o potencial disponível de biomassa florestal em Portugal, que pode
ser aproveitado para geração de energia.
Tabela 2 - Potencial disponível de biomassa florestal em Portugal.
Tipo de floresta
Quantidade
[milhões de ton/ano]
Matos
0,6
Biomassa proveniente de
áreas ardidas
0,4
Ramos e Bicadas
1,0
Industria
Transformadora da
Madeira
0,2
Total
2,2
(Fonte: http://www.igm.ineti.pt)
2.3 Biomassa agrícola
Portugal dispõe de um conjunto vasto de produtos residuais que podem ser
aproveitados como fonte de produção de energia.
10
Limpeza e Purificação de Biogás
Através da análise da tabela 3, é possível ficar com uma ideia acerca da energia
potencial disponível em resíduos agrícolas em Portugal.
Tabela 3 - Energia potencial contida em resíduos agrícolas em Portugal.
Energia
(Joules1015)
Álcool
equivalente
(106 litros)
Energia
(kWh 109)
Palha de cereal
5,4
227 270
1,5
Bagaços de azeitona
0,6
25 250
0,17
Resíduos de podas de vinha, fruteiras e oliveira
8,5
357 740
2,4
Resíduo da amêndoa e da vinificação
1,8
75 760
0,5
686 020
4,5
Tipo
Total
16,3
(Fonte: NUTEK, Swedish National Board for Industrial and Technical Development, 1993. Forecast for
biofuel trade in Europe. The Swedish market in 2000 – Stockolm)
2.4 Biomassa do sector pesqueiro
Em termos de oferta, na situação actual e a curto prazo, deverá ser encarada a
possibilidade de aproveitamento dos resíduos e desperdícios de produtos da pesca e
aquicultura, não destinados a farinhas e óleos de peixe, para a produção de biogás,
através da sua digestão anaeróbia.
Se do ponto de vista tecnológico não subsistem dúvidas quanto aos resultados positivos
de tal aproveitamento, a que acresce referir a atenuação dos problemas de ordem
ambiental associados à degradação dos resíduos. Para se concluir da sua viabilidade
económica, teriam que se pronunciar os industriais de conservas e de processamento de
peixe a operar em Portugal.
Uma vez que não existe uma grande divulgação de dados acerca da possibilidade de
aproveitamento energético de biomassa proveniente do sector pesqueiro, não é
apresentada nenhuma estimativa acerca da quantidade de energia possível de aproveitar.
11
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 3
Biodigestores
O local onde se desenvolvem as reacções de decomposição da já referida
biomassa, denomina-se de digestor ou biodigestor. Tendo este a possibilidade de operar
de modo contínuo, isto é, sendo alimentado de matéria orgânica durante o
funcionamento, simultaneamente à retirada de produto de composto, ou em batelada,
que é carregado apenas uma vez, no início do período de funcionamento, sendo
descarregado quando a produção de gás acabar ou atingir níveis muito baixos
(NOGUEIRA, 1986).
A composição do biogás obtido por biodigestão varia de acordo com as características
do resíduo e as condições de funcionamento do processo de digestão. No entanto
podemos estimar a sua composição como sendo cerca de 60% de Metano, 20% de
Dióxido de carbono, vestígios de Sulfitos de Hidrogénio e vapor de água. Para que o
biogás possa ser utilizado como combustível é necessário identificar a sua composição
química e o seu poder calorífico. Estes parâmetros determinam o real potencial de
geração de energia, além de permitir também dimensionar os processos de prétratamento do biogás, com o propósito de evitar danos nos equipamentos e também
aumentar o seu poder calorífico.
A caracterização dos resíduos será um aspecto de grande relevância, uma vez que a
qualidade e o potencial de produção de biogás depende directamente do tipo de matéria
orgânica disponível.
A qualidade e o potencial da produção de biogás dependem também do tipo de
equipamento utilizado no processo de biodigestão. Assim, será também necessário
avaliar o funcionamento dos diferentes tipos de biodigestores, tendo sempre em conta
factores como: custo inicial, custo de funcionamento, custo de manutenção, qualidade e
12
Limpeza e Purificação de Biogás
quantidade do biogás produzido, melhorando as suas propriedades de acordo com a sua
posterior utilização.
Um biodigestor, (Figura 1 e Figura 2), compõe-se, basicamente por uma câmara
fechada, na qual a biomassa é fermentada anaerobicamente, isto é, sem a presença de
oxigénio. Como resultado desta fermentação ocorrem a libertação de biogás e há a
possibilidade de aproveitamento dos resíduos como bio-fertilizantes. É possível,
portanto, definir biodigestor como um aparelho destinado a conter a biomassa e seu
produto. A sua função é fornecer as condições propícias para que um grupo especial de
bactérias, as metanogénicas, degrade o material orgânico, com a consequente liberação
do gás.
Figura 1 - Montagem de um biodigestor. (Fonte: www.estadao.com.br/noticias)
Figura 2 - Biodigestor em funcionamento. (Fonte: www.estadao.com.br/noticias)
13
Limpeza e Purificação de Biogás
Existem vários tipos de biodigestor, mas, em geral, todos são compostos, basicamente,
por duas partes: um recipiente, (tanque), para abrigar e permitir a digestão da biomassa,
e o gasómetro, (campânula), para armazenar o biogás, como se pode verificar através do
esquema representado pela figura 3.
Em relação ao abastecimento de biomassa, o biodigestor pode ser classificado como
contínuo, abastecimento diário de biomassa, com descarga proporcional à entrada de
biomassa, ou intermitente, quando utiliza a sua capacidade máxima de armazenamento
de biomassa, retendo-a até efectuar a completa biodigestão.
Figura 3 - Esquema biodigestor, (Fonte: http://www.tede.ufsc.br/teses/PGEA0210.pdf)
14
Limpeza e Purificação de Biogás
Biodigestor anaeróbio;
O biodigestor anaeróbio é um equipamento usado para a produção de biogás. Uma
mistura de gases, maioritariamente metano, é produzida por bactérias que digerem
matéria orgânica em condições anaeróbicas (isto é, em ausência de oxigénio). Um
biodigestor nada mais é que um reactor químico, em que as reacções químicas têm
origem biológica.
3.1 Biodigestor de abastecimento contínuo
De entre os biodigestores de sistema de abastecimento contínuo mais conhecidos, estão
os modelos, chinês e indiano.
3.1.1 Modelo indiano
O modelo indiano é um dos mais usados devido à sua funcionalidade. Quando
construído, apresenta o formato de um poço, que é o local onde ocorre a digestão da
biomassa, coberto por uma tampa cónica, A tampa contem uma campânula flutuante,
como gasómetro, que controla a pressão do biogás e permite a regulação da emissão do
mesmo. Outra razão para sua maior difusão está no facto do outro modelo, o chinês,
exigir a observação de muitos detalhes para sua construção.
Uma das vantagens do modelo indiano é a sua campânula flutuante, que permite manter
a pressão de escape de biogás estável, não sendo necessário regular constantemente os
aparelhos que utilizam o metano. Uma desvantagem, razoavelmente significativa, é o
preço da construção da campânula, normalmente moldada em ferro.
15
Limpeza e Purificação de Biogás
Este modelo oferece, em relação ao modelo chinês, algumas vantagens no momento da
construção, pois pode ser adaptado ao clima local e ao tipo de solo. Não há necessidade
de se estabelecer medidas fixas para o diâmetro e profundidade, bastando que se
observe a relação de capacidade do tanque digestor e da campânula.
Como já foi referido, o modelo indiano possui pressão de operação constante, ou seja, à
medida que o volume de gás produzido não é consumido de imediato, o gasómetro
tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a
pressão no interior constante. O facto de o gasómetro estar disposto sobre o substrato,
faz com que se reduza as perdas durante o processo de produção do biogás. O resíduo a
ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, deverá apresentar uma concentração
de sólidos totais (ST) não superior a 8%, para facilitar a circulação do resíduo pelo
interior da câmara de fermentação e evitar entupimentos dos canos de entrada e saída do
material. O abastecimento também deverá ser contínuo.
A figura 4 e a figura 5, mostram a vista frontal e tridimensional em corte,
respectivamente, do biodigestor, realçando os elementos fundamentais para sua
construção, (DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.;
LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
16
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.;
LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
3.1.2 Modelo chinês
O modelo chinês é mais rústico e económico, é completamente construído em
alvenaria, (tijolo), ficando este praticamente todo enterrado no chão. Funciona,
normalmente, com alta pressão, a qual varia em função da produção e consumo do
biogás. É formado por uma câmara cilíndrica em alvenaria para a fermentação, com teto
abobadado, impermeável, destinado ao armazenamento do biogás. Este biodigestor
funciona com base no princípio de prensa hidráulica, de modo que aumentos de pressão
em seu interior resultantes da acumulação de biogás resultarão em deslocamentos do
efluente da câmara de fermentação para a caixa de saída, e em sentido contrário quando
ocorre descompressão.
17
Limpeza e Purificação de Biogás
Este modelo dispensa o uso de gasómetro em chapa de aço, reduzindo desta forma o
custo de construção, contudo podem ocorrer problemas com fugas do biogás caso a
estrutura não seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor uma
parcela do gás formado na caixa de saída é libertado para a atmosfera, reduzindo
parcialmente a pressão interna do gás, por este motivo as construções de biodigestor
tipo chinês não são utilizadas para instalações de grande porte. Semelhante ao modelo
indiano, o substrato deverá ser fornecido continuamente, com a concentração de sólidos
totais em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a
circulação do material. A figura 6, mostra a vista frontal em corte do biodigestor,
realçando os elementos fundamentais para sua construção. A figura 7 a representação
tridimensional em corte, mostra de forma clara todo o interior do biodigestor,
(DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chinês. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.;
LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
18
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chinês. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.;
LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo não contínuo
O biodigestor de batelada é indicado para pequenas produções de biogás.
Trata-se de um sistema bastante simples e de pequena exigência operacional. A sua
instalação poderá ser apenas um tanque anaeróbico, ou vários tanques em série. Este
tipo de biodigestor é abastecido de uma única vez, portanto não é um biodigestor
contínuo, mantendo-se em fermentação por um período conveniente, sendo o material
descarregado posteriormente após o término do período efectivo da produção de biogás.
Por exemplo, um biodigestor com esterco bovino fica em média trinta a quarenta dias
fechado, sem oxigénio, ocorrendo somente a obtenção do gás. Depois é aberto, os
resíduos restantes são retirados, podendo ser utilizados como bio-fertilizantes.
Posteriormente é repetindo todo o processo.
19
Limpeza e Purificação de Biogás
A figura 8 e a figura 9, mostra a vista frontal e tridimensional em corte do biodigestor,
respectivamente, realçando os elementos fundamentais para sua construção,
(DEGANUTTI et all, 1995).
Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada. Fonte: (ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS
JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.;
LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)
20
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 4
Biodigestão
Pode-se, resumidamente, dizer que a biodigestão anaeróbia de resíduos
orgânicos é um processo bioquímico de utilização bacteriana para racionar compostos
complexos e produzir um gás combustível, denominado biogás, composto em maior
proporção de metano e dióxido de carbono. Os produtos resultantes deste processo são o
biogás, como aproveitamento energético, a biomassa, com a possibilidade de ser
utilizada como fertilizante em agricultura e efluentes tratados, como se pode verificar
através do esquema representado pela figura 10.
Figura 10 - Processo de digestão anaeróbia. (Fonte: Digestão anaeróbia de resíduos alimentares, Universidade
do Minho)
21
Limpeza e Purificação de Biogás
Por outras palavras, a biodigestão anaeróbia não é mais do que o processo pelo qual o
metano é produzido, é uma das formas naturais de se obter esse hidrocarboneto, além
das jazidas subterrâneas, onde este se encontra, na maior parte das vezes, associado ao
petróleo.
Além da Índia e China, diversos países têm procurado aplicar a tecnologia da
biodigestão anaeróbia, sobretudo no chamado “terceiro mundo”. Nos últimos anos, têm
sido desenvolvidos métodos e processos de pesquisa fundamentais a aplicar nessa área,
tendo contribuído significativamente para a sua evolução e para uma maior
disseminação da tecnologia de tratamento anaeróbio em todo o mundo.
Através da análise efectuada pelo esquema representado pela figura 11, é de fácil
identificação as diferentes fazes ou etapas por que passa o processo de digestão
anaeróbia.
Figura 11 - Esquema da digestão anaeróbia da matéria orgânica. (Fonte: MAUNOIR, 1991)
22
Limpeza e Purificação de Biogás
Maunoir (1991) propõe o esquema mostrado na Figura 11, para a degradação anaeróbia
da matéria orgânica. No processo global de conversão da matéria orgânica, através da
digestão anaeróbia, podem-se distinguir quatro fases distintas para formação do metano.
4.1 Fases da digestão anaeróbia
4.1.1 Hidrólise
Nesta fase, ocorre a liquefacção do meio. O material orgânico articulado ou
complexo é convertido em compostos dissolvidos ou materiais orgânicos simples, ou
seja, os polímeros orgânicos são convertidos em compostos simples e solúveis de menor
peso molecular (monómeros). O processo requer a interferência das chamadas exoenzimas que são excretadas pelas bactérias fermentativas (VAN HAANDEL &
LETTINGA, 1994). As matérias complexas (celulose, hemicelulose, amido, pectinas,
proteínas, lipídios) são convertidas pelas bactérias hidrolíticas em compostos solúveis,
tais como aminoácidos, peptídeos de cadeia curta, mono e dissacarídeos (MARTIN,
1985, apud BELLI Fº, 1995).
4.1.2 Acidogênese
Os compostos dissolvidos ou liquefeitos, gerados no processo de hidrólise, são
absorvidos nas células das bactérias fermentativas e, após a acidogênese, excretados
como substâncias orgânicas simples como ácidos graxos voláteis (AGV), álcoois, ácido
láctico, e compostos minerais como CO2, H2, NH3, H2S, etc, (VAN HAANDEL &
LETTINGA, 1994).
23
Limpeza e Purificação de Biogás
Na acidogênese os produtos da hidrólise são metabolizados pelas bactérias
fermentativas em compostos orgânicos simples como álcoois, aldeídos, cetonas e ácidos
graxos de cadeia curta, CO2 e H2 (BELLI Fº, 1995). A maior parte dos produtos finais
da acidogênese e da acetogênese são o ácido fórmico e ácido acético, o hidrogénio e
dióxido de carbono (FOX & POHLAND, 1994, apud BELLI Fº, 1995).
Conforme Van Haandel & Lettinga (1994), apesar de minoria, algumas bactérias da
acidogênese são facultativas e podem metabolizar o material orgânico pela via
oxidativa, removendo o oxigénio dissolvido (O2), porque a presença desta substância,
eventualmente, poderia ser tóxica se não fosse removida.
4.1.3 Acetogênese
A acetogênese é uma etapa reguladora do processo que permite a transformação
dos produtos da acidogênese em ácido acético, precursor do metano, impedindo a
acumulação de ácidos graxos voláteis, além do ácido acético. Estes, em concentrações
relativamente altas, inibem a etapa final da digestão anaeróbia. A transformação dos
ácidos graxos e dos álcoois em ácido acético é feita pelas bactérias produtoras de
hidrogénio (VERSTRAETE et all, 1981, apud BELLI Fº, 1995). Durante a acetogênese,
os ácidos graxos voláteis, bem como os álcoois, são transformados em ácido acético
pelas bactérias produtoras de hidrogénio conforme Philippi (1992 apud BELLI Fº,
1995). Segundo Gosmann (1997), citando Harper & Pohland (1986), na acetogênese, os
produtos finais de decomposição são o hidrogénio, o dióxido de carbono e o ácido
acético. Dependendo do estado de oxidação do material orgânico a ser digerido, a
formação de ácido acético pode ser acompanhada pelo surgimento de dióxido de
carbono ou hidrogénio (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994).
24
Limpeza e Purificação de Biogás
De acordo com Belli Fº (1995), citando Fox & Pohland (1994), as reacções da
acidogênese, em ph 7,0 e a 1 atm, que conduzem à formação de ácido acético, são
explicadas da seguinte forma:
Propiniato → Acetato
CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2
Etanol → Acetato
CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2
4.1.4 Metanogênese
O ácido acético, CO2 e H2 produzidos pela acetogênese são convertidos em gás
metano (CH4) e em CO2. Nesse estágio bactérias anaeróbias metanogênicas convertem
ácidos orgânicos simples em Metano e Dióxido de Carbono, com período de duração de
dez dias a 20 ºC.
A metanogênese em geral é o passo que limita a velocidade do processo de digestão
como um todo, embora a temperatura abaixo dos 20 ºC, a hidrólise se possa tornar
limitada (GUJER & ZEHNDER, 1983, apud VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994).
O metano é produzido pelas bactérias acetotróficas a partir da redução ou
descarboxilação do ácido acético ou pelas bactérias hidrogenotróficas a partir da
redução do dióxido de carbono.
Têm-se, portanto, as seguintes reacções catabólicas:
Metanogênese acetotrófica:
CH3COOH → CH4 + CO2
25
Limpeza e Purificação de Biogás
Metanogênese hidrogenotrófica:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Teoricamente, 33% do metano pode ser proveniente da redução de CO2. O ácido acético
pode produzir pelo menos 67% do metano (MAH et al., 1977, apud BELLI Fº, 1995).
Dos compostos intermediários, somente H2 e HCOOH e acetato podem ser usados
directamente pelas bactérias metanogênicas, enquanto os outros precisam, para serem
convertidos em produtos finais, de passar pelas bactérias produtoras obrigatórias de
hidrogénio (VERSTRAETE et al., 1981)
A produção de metano (60 a 70% do biogás), depende directamente da degradação dos
ácidos graxos voláteis (AGV), não estando ligada à concentração de ácido acético
(BELLI Fº, 1995). Cerca de 70% do metano provém do ácido acético, que é seu maior
precursor (PHILIPPI, 1992), (Alan Henn, 2005).
26
Limpeza e Purificação de Biogás
4.2 Estudos referentes á digestão anaeróbia
Como se pode ver através da análise da tabela 4, à muito que este tema tem sido objecto
de estudo, com o objectivo de ser desenvolvido um processo mais eficiente e fiável para
a captação, tratamento e utilização do biogás.
Tabela 4 - Desenvolvimento histórico da tecnologia de biodigestão anaeróbia.
Datas
Descobertas a respeito da Digestão Anaeróbia
1776
Alessandro Volta, em Itália, descobre metano no gás dos pântanos, como resultado da
decomposição de restos vegetais em ambientes confinados.
1806
Humphrey Davy, em Inglaterra, identifica um gás rico em metano e dióxido de
carbono, resultante da decomposição de dejectos animais em lugares húmidos.
1857
Em Bombaim, na Índia, é construída a primeira instalação operacional destinada a
produzir gás combustível, para um hospital.
1890
Donald Cameron, em Inglaterra, projecta uma fossa séptica para a cidade de Exeter,
sendo o gás produzido utilizado para iluminação pública.
1920
Karl Imhoff, na Alemanha, desenvolve um tanque biodigestor, o tanque Imhoff, uma
importante contribuição para o tratamento anaeróbio de esgotos residenciais.
1950
Ram Bux Singh, em Ajitmal, no norte da Índia, coordena as pesquisas que conduziram
a uma enorme difusão do biodigestor, construindo meio milhão de unidades do
chamado modelo indiano, como forma de tratar o esterco e obter combustível sem
perder o efeito fertilizante.
1972
No sul do rio Amarelo, na China, surge uma nova concepção, o modelo chinês, com a
instalação de 7,2 milhões de biodigestores para produção de biogás.
(Fonte: NOGUEIRA, 1986)
27
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 5
Biogás
A utilização e valorização de resíduos incluem qualquer das operações que
permite o reaproveitamento dos resíduos que se englobem em duas categorias:
reciclagem e valorização energética. Assim, as operações mais comuns na gestão de
resíduos sólidos urbanos são a reciclagem material, a compostagem, a biometanização
(ou digestão anaeróbia) e a incineração.
O biogás basicamente é composto de uma mistura de gases contendo principalmente
metano e dióxido de carbono, encontrando-se ainda nesta mistura, mas em menores
proporções, gás sulfídrico e nitrogénio, como se pode verificar através da análise da
tabela 5.
Tabela 5 - Composição química do biogás típico.
Parâmetros
Biogás típico (%)
CH4
CO2
N2
O2
H2S
50 – 80
25 – 50
0-7
0-2
0-3
NH3
H2
Outros
0-1
0-1
1-5
(Fonte: Adaptado de: www.ambiente.sp.gov.br/biogas)
28
Limpeza e Purificação de Biogás
A formação do biogás é comum na natureza. Assim, ele pode ser encontrado em
pântanos, lamas escuras, locais onde a celulose sofre naturalmente decomposição. O
biogás é um produto resultante da fermentação, na ausência do oxigénio, de dejectos
animais, resíduos vegetais e de lixo orgânico industrial ou residencial, em condições
adequadas de humidade e temperatura. A reacção desta natureza é denominada digestão
anaeróbica.
O principal componente do biogás é o metano representando cerca de 50 a 80% na
composição do total de mistura, como já foi referido anteriormente. O metano é um gás
incolor, altamente combustível, queimado com chama azul lilás, sem deixar fuligem e
com um mínimo de poluição. Em função da percentagem com que o metano participa
na composição do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal/m3
(por metro cúbico). Esse poder calorífico pode chegar ás 12.000 kcal/m3, uma vez
eliminado o dióxido de carbono e outros contaminantes da mistura.
Tendo em conta a proveniência do biogás, este vai apresentar diferentes composições,
essencialmente no que se refere a percentagens de CH4, CO2 e de impurezas.
Actualmente, a proveniência de biogás é considerada apenas de duas fontes distintas:
 Biogás de aterro;
 Biogás de digestão.
29
Limpeza e Purificação de Biogás
Através da análise da tabela 6, pode-se facilmente identificar as diferenças, a nível de
composição, entre o biogás de Aterro e o biogás de digestão.
Tabela 6 - Composição de biogás de diferentes fontes.
Parâmetros
Biogás de aterro
Biogás de digestão
Valor calorífico (MJ/nm3)
16
23
Densidade (kg/nm3)
1.3
1.2
CH4 (% Média)
45
63
35 – 65
53 – 70
40
47
15 – 50
30 – 47
< 100
< 1000
0 – 100
0 - 1000
CH4 (% de Variação)
CO2 (% Média)
CO2 (% de Variação)
H2S (ppm Média)
H2S (ppm Variação)
(Fonte: PERSSON et all, 2006)
Traduzindo em termos práticos, seguidamente é apresentada uma relação comparativa
de equivalência de 1m3, metro cúbico, de biogás com os combustíveis usuais, tabela 6.
1 m3 de biogás corresponde a:
Tabela 7 - Relação comparativa de 1m3 de biogás com combustíveis usuais.
Gasolina
Gasóleo
Bio-diesel
0,61 litros
0,7 litros
0,55 litros
GPL
0,45 Kg
Electricidade
6,9 kWh
Lenha
Pellets
madeira
1,538kg
0,304kg
(Fonte: DEGANUTTI et all, 1995)
30
Limpeza e Purificação de Biogás
A título de exemplo:
Para uma família de 5 (cinco) pessoas em termos de uso caseiro temos:
Para cozinha 4,30 m3
Para iluminação 0,63 m3
Para banhos 4,00 m3
Total de biogás necessário: 8,93 m3 (por dia). Essa quantidade de gás corresponde a
aproximadamente ¼ de uma botija de gás de 13 kg.
(DEGANUTTI et all, 1995)
5.1 Biogás de aterro
Para o caso dos aterros, a deposição de resíduos orgânicos por via anaeróbia
denomina-se de biometanização ou digestão anaeróbia. Os principais produtos do
metabolismo são o dióxido de carbono, CO2, e o metano, CH4, constituintes principais
do biogás, sendo ainda produzidos compostos intermediários, como ácidos orgânicos de
baixo peso molecular, alguns voláteis, que tem um elevado potencial de produção de
maus cheiros.
Ao chegar da recolha, o lixo é pesado e descarregado nas centrais de triagem, onde é
escolhido e compactado, seguindo para a sua deposição no aterro, o qual será
obrigatoriamente revestido por material impermeável, para impedir a contaminação por
infiltração das áreas circundantes. À medida que as células do aterro são seladas,
verifica-se de imediato a degradação da componente orgânica, pelo que após um curto
período de tempo se inicia a produção de biogás, com libertação de gases com
características caloríficas.
31
Limpeza e Purificação de Biogás
O aproveitamento energético do biogás reduz a emissão de metano para a atmosfera,
contribuindo igualmente para uma melhoria da qualidade ambiental das zonas
envolventes, uma vez que os componentes causadores de odores desagradáveis,
particularmente os compostos de enxofre, são destruídos durante a combustão do
biogás.
Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitário. (Fonte: www.algar.com.pt)
Para ser possível e viável a recuperação de biogás num aterro sanitário, este deverá ter
implementado uma serie de sistemas:
Sistema de impermeabilização
Este sistema deverá evitar a fuga do biogás para a atmosfera, bem como impedir a
infiltração de lexiviados no terreno, figura 13. A cobertura superior dos aterros
sanitários normalmente é feita com argila de baixa permeabilidade compactada;
32
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 13 - Colocação de geomembrana de PEAD em aterro sanitário. (Fonte: SANTEC RESÍDUOS, 2005)
Poços de drenagem de biogás
Estes poços, escavados na massa de resíduos, normalmente são feitos com brita e
podem ser verticais ou horizontais. Alguns aterros sanitários adoptam um sistema de
poços misto.
Figura 14, Recolha de biogás nos poços de drenagem. (Fonte: www.gasnet.com)
33
Limpeza e Purificação de Biogás
Rede de colecta
A rede de colecta de biogás, como se vê na figura 15, leva o gás drenado dos poços para
a unidade de geração de energia eléctrica e/ou calorífica. Esta rede é normalmente
constituída por tubos de polietileno de alta densidade e deve ser aterrada, com a
finalidade de evitar possíveis incidentes.
Figura 15 - Rede de colecta de biogás. (Fonte: www.gasnet.com)
Bombas de vácuo
As bombas de vácuo são extremamente importantes para compensar as perdas de carga
nas tubagens e garantir a regular injecção de biogás nas unidades de geração de energia
eléctrica e/ou calorífica
34
Limpeza e Purificação de Biogás
Grupos Geradores
Este tipo de equipamentos, figura 16, utilizam normalmente motores de combustão
interna, desenvolvidos especialmente para serem alimentados com o biogás como
combustível.
Figura 16 - Grupo de geradores a biogás. (Fonte: www.gasnet.com)
A implementação de uma unidade de geração de energia deste tipo, em aterros
sanitários, deverá ser acompanhada de um estudo de viabilidade económica. Este estudo
deverá obrigatoriamente indicar o potencial de geração de biogás do aterro em função
da quantidade e da composição dos resíduos aterrados, avaliando desta forma o custo de
geração de energia, (Guidance Note on Recuperation of Landfill Gas Municipal Solid
Waste Landfills (World Bank).
O biogás poderá ser utilizado para a produção de energia eléctrica, aquecimento ou
abastecimento de redes de gás municipais.
35
Limpeza e Purificação de Biogás
Este último, necessita de mais tecnologia e é necessário um elevado controlo de alguns
factores, nomeadamente a temperatura e as emissões, mas em contrapartida tem a
vantagem de reduzir o tempo de tratamento e possibilitar a recuperação de energia.
As normas relativas aos aterros sanitários impõem, hoje em dia, a drenagem, a
extracção, o aproveitamento e, caso este ñ seja possível, a queima do biogás, em
particular porque o metano é um gás que também contribui para o efeito de estufa, com
um impacto 20 vezes superior ao dióxido de carbono. Desta forma, o biogás gerado nos
aterros sanitários deve ser drenado e queimado para minimização dos efeitos causados
pelo seu lançamento na atmosfera. Assim sendo, a utilização do biogás como recurso
energético é uma forma de minimizar este efeito negativo para o meio ambiente.
Tabela 8 - Contribuição do biogás para o efeito de estufa.
Crescimento anual na
atmosfera, (%)
Contribuição relativa
para o efeito de estufa,
(%)
Parâmetros
Concentração na
atmosfera, (ppm)
CO2
346,0
0,4
50
CH4
1,7
1,0
19
N2O
0,3
0,3
4
O3
0,02
0,5
8
CFC
0,001
5,0
17
(Fonte: AMARSUL, Biogás em aterro)
Como se pode verificar através da análise da tabela 8, o metano tem um peso
significativo na contribuição para o efeito de estufa.
Através da utilização do biogás para fins energéticos, consegue-se uma melhoria das
condições ambientais, uma vez que se estima que aproximadamente 10% da produção
de metano a nível mundial, seja proveniente de aterros.
36
Limpeza e Purificação de Biogás
5.2 Biogás de etar
Tal como no caso dos aterros, também as Estações de tratamento de águas
residuais, etar’s, têm a capacidade de produção de gás combustível, biogás, devido à
fermentação e decomposição da matéria orgânica. Assim sendo, muitas etar’s a nível
nacional já fazem o aproveitamento desta forma de energia, a finalidade mais comum é
produzir electricidade e calor, cogeração, figura 17), através de um ou mais grupos
motor gerador, como os representados na figura 18. A electricidade é consumida e ou
vendida à rede, no que diz respeito ao calor, este é essencialmente para consumo
interno, tal como aquecimento dos biodigestores, aquecimento de águas e aquecimento
ambiente.
Figura 17 - Diagrama de um sistema de cogeração. (Fonte: SMAS de Almada)
37
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 18 - Grupo motogerador a biogás. (Fonte: SIMLIS Aproveitamento de Biogás)
Este tipo de aproveitamento energético é essencial, mas acima de tudo porque o
tratamento das lamas é extremamente necessário. Uma vez que não é viável,
ambientalmente, a deposição das lamas em aterros, esta é uma forma de as estabilizar e
posteriormente serem utilizadas como fertilizante agrícola.
5.3 Biogás de explorações agro-pecuárias
O aproveitamento do biogás proveniente de explorações agro-pecuárias é uma
das formas mais utilizadas em zonas rurais. Tendo em conta que nestas zonas se verifica
a existência de biomassa em abundância. É sabido que este tipo de explorações tem
alguma dificuldade em efectuar o tratamento dos dejectos animais ou o seu transporte
para uma estação de tratamento, o que por vezes origina descargas ilegais muito
prejudiciais para o meio ambiente.
Desta forma, a existência de unidades de produção de biogás, ou mesmo a
implementação de pequenas unidades nas próprias explorações, poderiam ser uma
38
Limpeza e Purificação de Biogás
solução para este problema. Sendo ainda uma mais valia na geração de energia, tanto
para consumo das próprias instalações como para venda á rede.
Quanto ao tipo de equipamentos necessários para a produção de biogás e
aproveitamento energético, este caso é em tudo semelhante ao caso de uma etar ou
aterro, tendo em conta, como é óbvio, a quantidade e a qualidade do biogás que se
pretende produzir.
5.4 Biogás de CVO
O aproveitamento energético através de centrais onde é possível o
aproveitamento energético de resíduos orgânicos, CVO, poderá ser uma solução para a
grande maioria das instalações onde de alguma maneira se produzem desperdícios
orgânicos, com potencial energético. Assim sendo, pensa-se que este tipo de centrais
poderá contribuir significativamente para uma melhoria ambiental junto de explorações
agro-pecuárias, estações de tratamento de efluentes municipais e industriais, fazendo o
correcto tratamento dos seus resíduos orgânicos, bem como de resíduos orgânicos
recolhidos indiscriminadamente.
Para este tipo de centrais de tratamento de resíduos orgânicos, a produção de energia
poderá ser efectuada de uma forma em tudo semelhante as explorações acima referidas,
produção de biogás para geração de energia eléctrica e calor ou purificação e injecção
na rede de gás natural.
5.5 Produção de biogás
As propriedades físico-químicas do biogás têm natural influência na tecnologia a
ser seleccionada para a sua posterior utilização. Como mistura variável de diferentes
gases, o biogás tem poder calorífico e densidade variados, tendo em conta a
concentração relativa de cada um dos seus constituintes. Essas propriedades são
importantíssimas para a engenharia de equipamentos adequados ao biogás (CCE, 2000).
39
Limpeza e Purificação de Biogás
O poder calorífico do biogás depende da percentagem de metano (CH4) nele existente.
Segundo (CCE, 2000), o metano puro, em condições normais (pressão a 101,325 kPa e
temperatura de 0 ºC), possui poder calorífico equivalente a 35640 kJ/m3. O biogás, com
teor de metano variando entre 50% e 80%, possui poder calorífico inferior entre 17880 e
28440 kJ/m3. Assim para cada 10% de CO2 na mistura gasosa de biogás, este
corresponde aproximadamente a 3600 kJ/m3 a menos no seu poder calorífico.
Se o biogás proveniente de aterros e etar’s não for devidamente controlado e tratado,
pode apresentar para o ambiente uma serie de riscos, (efeito de estufa causado pelo
metano), para a saúde e segurança da população local, (correndo o risco de toxicidade,
incêndios, explosões, etc). Desta forma, torna-se necessário efectuar um rigoroso
controlo no que diz respeito á sua captação, tratamento e armazenamento.
O biogás proveniente de aterros sanitários, etar’s e explorações agro-pecuárias,
resultante da biodegradação de resíduos, nem sempre apresenta a mesma quantidade de
energia gerada, ou seja, varia ao longo do período de produção, no entanto,
normalmente é produzida entre 150m3 e 200m3 de biogás por tonelada de resíduos
digerida, (Inácio 1995).
Para se poder utilizar este gás e tendo em conta a sua finalidade, existe a necessidade de
se proceder à sua limpeza e melhoria. Desta forma, poderão ser utilizados diversos
processos, os quais serão descritos mais adiante.
O biogás produzido pode ser utilizado de diversas formas: queimado no local e produzir
energia eléctrica para consumo nas próprias instalações e/ou venda á rede, ou ainda
purificado e injectado na rede de gás natural. Para podermos usufruir desta alternativa
energética, necessitamos de todo um conjunto de equipamentos, que nos permita o seu
rigoroso tratamento e posterior utilização.
5.6 Aproveitamento de biogás e sua valorização
Como já foi referido anteriormente, o biogás proveniente de resíduos, pode ter
diversas aplicações. Este vai estar sujeito a diferentes níveis de exigência, mediante a
40
Limpeza e Purificação de Biogás
aplicação final à qual vai estar sujeito. Assim, a título de resumo, é apresentada a tabela
9, a qual mostra a necessidade de remoção de impurezas, de acordo com a finalidade de
utilização do biogás.
Tabela 9 - Necessidade de remoção de gases e de outros componentes do biogás.
Aplicação
H2S
CO2
H2O
<1000 ppm
Não
Não
Utilização em cozinha
Sim
Não
Não
Veículos a Gás
Sim
Sim
Sim
Caldeira a Gás para aquecimento
Sim
Sim
Sim
Rede de Gás Natural
(Fonte: Adaptado de IEA Bioenergy. Task 24: Energy from biological conversion of organic waste, Biogas
upgrading and utilisation)
Essencialmente pode-se resumir a finalidade do biogás produzido a duas possibilidades:
 Produção de biometano;
 Produção de energia eléctrica.
5.6.1 Energia injectada na rede nacional de energia eléctrica
Para o caso do aproveitamento do biogás gerado para a produção de energia
eléctrica e consequente venda à rede nacional de energia eléctrica, é necessário cumprir
certos requisitos estipulados, possíveis de consultar em Diário da República.
Regime jurídico das energias renováveis
Valorização pelo tarifário das energias renováveis (ER) – Decreto-Lei 33A/2005 de 16 de Fevereiro. Aplicável a instalações que utilizam energias renováveis.
Estabelece valores para o coeficiente (Z) utilizado nas fórmulas de cálculo do tarifário.
41
Limpeza e Purificação de Biogás
 Biogás de biomassa animal; alínea d) Z=7,5
 Biogás de aterro; alínea e) Z=7,5
 Biogás de outros (etar); alínea g) Z=1
A diferença na Tarifa de remuneração do kWh, fazendo Z=1 ou Z=7,5 resulta muito
diferente:
Z=1 = 0,0549 €/kWh
Z=7,5 = 0,1054 €/kWh
Desta forma verifica-se que para o caso de venda de electricidade produzida pela
utilização de biogás, uma disparidade de preços, mediante a proveniência do próprio
biogás.
5.6.2 Biometano injectado na rede nacional de gás natural
Quando o objectivo da produção do biogás é a injecção na rede nacional de gás
natural, é necessário, como já foi referido anteriormente, todo um conjunto de
equipamentos para limpeza e purificação do biogás.
A entidade reguladora, ERSE, estipula todos os requisitos que o biogás deverá possuir,
aquando da sua injecção na rede nacional, nomeadamente:
 Limites máximos de impurezas;
 Limites mínimos de metano;
 Pressões de serviço;
 Índice de Wobbe;
 Densidade;
 Ponto de orvalho da água.
 Sulfureto de hidrogénio.
 Enxofre total.
42
Limpeza e Purificação de Biogás
Breve descrição do percurso do gás natural e constituição do SNGN
A figura 19 apresenta a constituição do Sistema Nacional de Gás Natural (SNGN).
Figura 19 - Sistema nacional de gás natural (SNGN). (Fonte: Relatório da qualidade de Serviço do sector do
gás natural, ERSE, 2009)
Fornecimento de gás natural a Portugal
Portugal não possui jazigos de gás natural. Actualmente, o gás é importado,
essencialmente, do Norte e Ocidente de África (Argélia e Nigéria). De acordo com a sua
proveniência, o gás natural consumido em Portugal entra no país em dois pontos:
43
Limpeza e Purificação de Biogás
 O gás natural proveniente da Argélia é fornecido a Portugal através do gasoduto
que atravessa o norte da Argélia e Marrocos com ligação sub-aquática de Tanger
a Tarifa em Espanha. A ligação da rede de Espanha a Portugal é efectuada em
Campo Maior;
 O gás natural proveniente da Nigéria é transportado até Portugal sob a forma de
Gás Natural Liquefeito (GNL), isto é, em estado líquido, em navios metaneiros.
Terminal de GNL
O GNL proveniente da Nigéria é descarregado dos navios metaneiros para o
terminal de recepção, armazenamento e regaseificação de Sines (terminal de GNL) e é
armazenado em reservatórios. Estes reservatórios permitem o abastecimento de GNL
aos camiões-cisterna para abastecer redes de distribuição separadas da rede de
transporte, e o abastecimento de gás natural à rede de transporte após sua regaseificação
(passagem de gás natural do estado liquido para o estado gasoso). A actividade de
operação do terminal de GNL é desenvolvida pela empresa REN Atlântico.
Armazenamento do gás natural
Em Portugal existe armazenamento de gás natural (no estado gasoso) em
cavidades subterrâneas de formação salina. O armazenamento subterrâneo situa-se no
Carriço, concelho de Pombal. As cavidades recebem e fornecem gás natural à rede de
transporte. A actividade de operação do Armazenamento é desenvolvida pela empresa
REN Armazenagem.
44
Limpeza e Purificação de Biogás
Transporte do gás natural
A rede de transporte é constituída pelo gasoduto em alta pressão e demais infraestruturas que asseguram a veiculação do gás natural desde os locais de recepção e
armazenamento de gás natural às redes de distribuição. A rede de transporte é
constituída por dois grandes eixos:
 Um eixo Sul-Norte desde o terminal de GNL até Valença do Minho que garante
o abastecimento de gás natural à faixa litoral de Portugal com as localidades
mais densamente povoadas. Este eixo tem uma grande derivação para Viseu;
 Um eixo entre Campo Maior, onde é feita a ligação Espanha - Portugal, e o
armazenamento subterrâneo, no Carriço. Este eixo tem uma derivação (SulNorte) para a Guarda. Os dois grandes eixos cruzam-se na Bidoeira, localidade
do concelho de Leiria.
À rede de transporte estão ligadas redes de distribuição e grandes clientes de gás
natural, designadamente as centrais de produção de energia eléctrica. A actividade de
transporte de gás natural é desenvolvida por uma única entidade, REN Gasodutos.
Distribuição do gás natural
Em Portugal existem onze redes de distribuição de gás natural. Cinco redes são
redes isoladas, figura 20, e as restantes seis ligadas à rede de transporte, figura 21.
Estas redes isoladas caracterizam-se por incluírem as Unidades Autónomas de GNL
(UAG), figura 16, que permitem, por um lado, receber GNL através de camiões-cisterna
e, por outro lado, regaseificar o GNL e abastecer os clientes com gás natural através de
uma rede de distribuição local, (ERSE, 2009).
45
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 20 - Redes de distribuição abastecidas por UAC. (Fonte: Relatório da Qualidade de Serviço do sector
do Gás Natural, ERSE, 2009)
46
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 21 - Redes de distribuição ligadas à rede de transporte. (Fonte: Relatório da Qualidade de Serviço do
sector do Gás Natural, ERSE, 2009)
5.6.3 Biogás liquefeito para utilização em veículos adaptados
Vários estudos a nível mundial verificam a capacidade do biogás proveniente de
resíduos ser utilizado para a injecção em veículos que possuam uma adaptação para o
efeito. Desta forma é possível fazer essa utilização em primeiro lugar para os transportes
públicos, bem como para os transportes pesados de mercadorias. O que possibilita uma
grande diminuição no consumo de combustíveis fosseis, bem como das emissões de
gases de efeito de estufa, G.E.E.
47
Limpeza e Purificação de Biogás
Tal como para a injecção do biogás no SNGN, também para este caso é extremamente
necessário a utilização de equipamentos que possibilitem a sua limpeza e purificação.
Embora para este caso seja um pouco mais exigente no que se refere a impurezas
presentes no biogás.
A utilização de biogás em veículos como combustível, faz o uso do mesmo tipo de
equipamentos e configurações que os utilizados em gás natural. Existem cerca de 1 (um)
milhão de veículos movidos a gás natural em todo o mundo, o que demonstra o grande
potencial desta fonte de energia e acima de tudo que este tipo de configuração não
apresenta nenhum entrave na utilização ao uso de biogás como combustível. Contudo,
as exigências da qualidade de gás a ser utilizado são muito elevadas, o que faz com que
se tenha que recorrer a tecnologia eficiente para de alguma forma se atingir essas ditas
exigências. Desta forma, e fazendo uso de equipamento adequado, obtém-se um gás
com as seguintes características:
 Poder calorífico mais elevado com a finalidade de proporcionar aos veículos
uma maior autonomia;
 Qualidade constante e regular por questões de segurança e fiabilidade;
 Não proporcione corrosão devido a elevados níveis de sulfitos de hidrogénio,
amónia, água e impurezas;
 Não contenha partículas nocivas mecanicamente;
 Não proporcione o seu congelamento devido à presença de água;
 Proporcione as exigências e a qualidade exigida.
48
Limpeza e Purificação de Biogás
Na prática, isto quer dizer que: sulfitos de hidrogénio, amónia, partículas de água,
resíduos e impurezas têm obrigatoriamente que ser removidas, para que o biogás a ser
utilizado em veículos apresente uma concentração de metano acima dos 95%. As
especificações da qualidade do biogás a ser utilizado em veículos pode variar de país
para país.
Actualmente o biogás purificado é o combustível menos poluente no que respeita ao
meio ambiente.
Em 1995 um relatório de origem Sueca acerca de combustíveis alternativos classificou o
biogás como sendo o menos poluente, seguidamente do metanol e do etanol
Diferentes métodos de classificação ambiental deram ao biogás cerca de 75% em
relação ao diesel e 50% em relação à gasolina, a menos, no que respeita a poluentes. A
nível de toxicidade, o biogás apresenta valores de cerca de 70% abaixo dos
combustíveis comuns, a potencial formação de ozono é reduzida de entre 60% a 80% e
a formação de ácidos reduzida em cerca de 50%.
Foram ainda realizados estudos paralelos de comparação de veículos utilizando
gasolina, diesel e biogás em cidade, (EU standard), demonstrando desta forma um
decréscimo nas emissões de Oxido nitroso, NOx, para os motores utilizadores de
biogás, 57%, (IEA Bioenergy).
Um estudo efectuado pela Terracastus Technologies, demonstra as vantagens de se
utilizar LBG em veículos.
 LBG é mais barato e mais fácil de distribuir do que CBG;
 É um bom combustível para veículos pesados;
 É facilmente convertido em CBG para distribuição em rede;
 Impacto ambiental muito inferior ao dos combustíveis fosseis.
A tecnologia desenvolvida pela Terracastus Technologeis, designa-se de CO2 Wash, que
será descrita pormenorizadamente mais adiante.
49
Limpeza e Purificação de Biogás
Assim, tendo em conta o presente estudo, importa salientar as características e os
resultados atingidos:
 Produção de LBG – 1300 a 1400 litros/dia
 Qualidade do combustível – 98 a 99% CH4
 Tempo de trabalho dos veículos - > 600 horas cada
 Inspecção posterior – Sem danos.
Figura 22 - Abastecimento de veículo movido a LBG. Fonte: (Technologies for cleaning and upgrading biogas,
Terracastus Technologies)
Figura 23 - Pormenor do veículo movido a LBG. (Fonte: Technologies for cleaning and upgrading biogas,
Terracastus Technologies)
50
Limpeza e Purificação de Biogás
A título de curiosidade
Tabela 10 - Estado da utilização e abastecimento de LBG em veículos.
País
Nº de veículos a
LBG
Estações de
abastecimento
Consumo de
LBG (Mm3)
Suíça
6000
100
2
Suécia
14 500
115
(Fonte: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)
28
5.7 Entidades envolvidas na produção e distribuição do biometano
Antes da liberalização do mercado do gás, tanto o fornecimento como a
distribuição desta forma de energia, estariam a cargo de uma mesma companhia. Desta
forma, no que se refere ao biogás, uma dada companhia poderia estar encarregue da
extracção do dito biogás, proveniente de um aterro, de uma etar, etc, da sua limpeza e
purificação, fornecimento e distribuição final. Facto que se poderia tornar
economicamente desfavorável para os consumidores finais, uma vez q ñ haveria
competitividade de preços nem de mercados. Felizmente foram criadas algumas regras
que se impõem ao domínio de todo este mercado, fazendo com que haja maior
competitividade entre empresas, o que se pode traduzir em melhores serviços e em
preços mais atractivos para o consumidor final.
Actualmente na produção de biogás, pode-se dividir todo o processo desde ao
fornecimento da biomassa até à distribuição do biogás, em 4 passos:
 Fornecimento de biomassa;
 Produção de biogás;
 Comercializador de biogás;
 Controlador da rede de distribuição.
51
Limpeza e Purificação de Biogás
5.7.1 Fornecimento de biomassa
Tendo em conta o tipo de instalação de produção de biogás, podemos ter
diversas possibilidades para esta entidade. Por exemplo, para o caso de um aterro, a
biomassa será proveniente dos resíduos municipais. Mas se tivermos o caso de uma
instalação que recebe diversos tipos de resíduos, esta entidade pode ser composta por
uma associação de explorações agro-pecuárias, onde esta poderá efectuar um contracto
de fornecimento da dita biomassa, estipulando um preço e uma dada qualidade da
biomassa.
5.7.2 Produção de Biogás
A entidade produtora de biogás, é a companhia que se dedica a receber a
biomassa e a efectuar a sua transformação. O produtor de biogás está encarregue de
produzir, limpar e purificar o biogás em quantidade e qualidade, de acordo com um
contrato existente entre este e o comercializador. Obviamente que o tipo de biogás a
fornecer, vai depender da sua utilização final, tal como já foi referido anteriormente.
5.7.3 Comercializador de biogás
Para o caso da entidade encarregue do fornecimento de biogás, esta fica com a
obrigação de receber o biogás de entidade produtora e fornecimento deste a uma ou
varias companhias encarregues da distribuição em rede. O fornecedor poderá efectuar
uma distribuição do biogás a grosso ou a retalho, mediante as necessidades dos seus
52
Limpeza e Purificação de Biogás
clientes. Para o caso do fornecimento a uma companhia de distribuição em rede, este
fica obrigado à elaboração de um contrato que estipula tanto o preço como a qualidade
do biogás a ser fornecido.
5.7.4 Operador da rede de distribuição
O controlador da rede de distribuição de biogás, está responsabilizado a garantir
a qualidade do biogás que distribui. Este fica obrigado à elaboração de contrato com os
seus clientes, na sua maioria consumidores finais, que estipula o preço e a boa qualidade
do biogás. Esta entidade fica ainda encarregue da análise e confirmação da boa
qualidade do biogás recebido pelo seu fornecedor, bem como assegurar a capacidade de
fornecimento e consumo na sua rede de distribuição, para poder ser distribuidor final de
biogás.
53
Limpeza e Purificação de Biogás
A nível nacional, as empresas que operam no SNGN estão presentes na tabela 11, onde
também é descrita a sua função.
Tabela 11 - Empresas nacionais a operar no SNGN.
Empresa
Beiragás
Recurso
Tagusgás
Sonorgás
Dianagás
Duriensegás
Medigás
Paxgás
Lisboagás GDL
Lusitaniagás
Portgás
Setgás
EDP Gás Serviço Universal
Lisboagás Comercialização
Lusitaniagás Comercialização
Setgás Comercialização
REN Gasodutos
Transgás
REN Atlântico
Agente
Operador da rede de distribuição e comercializador de último recurso;
Operador da rede de distribuição;
Comercializador de último recurso retalhista;
Operador da rede de transporte;
Comercializador de último recurso grossista;
Operador de terminal de recepção, armazenamento e regaseificação de
GNL;
REN Armazenagem
Operador de armazenamento subterrâneo;
Transgás Armazenagem
(Fonte: Adaptado de: Relatório da qualidade de serviço do Sector do gás natural ERSE, 2009)
5.8 Produção de biogás na Europa
Actualmente faz sentido definir as preocupações ambientais e de racionalização
energética como sendo uma preocupação internacional, ou seja, para se poder fazer face
a tais problemas, é estritamente necessário o contributo de todos os estados membros,
no que se refere à Europa.
54
Limpeza e Purificação de Biogás
Assim, na área da produção e desenvolvimento de biogás interessa saber em que
situação se encontra a Europa.
A IEA, (International Energy Agency), tem como objectivo o desenvolvimento de
novas tecnologias de produção de energia com a finalidade de acelerar a mudança para
o uso de energias amigas do ambiente.
Como se pode verificar através do gráfico representado pela figura 24, a produção de
biogás na Europa entre 2004 e 2006, proveniente de diversas fontes, de uma maneira
geral, tem vindo a aumentar, o que significa uma crescente evolução das tecnologias de
produção de biogás.
Figura 24 - Produção de biogás na Europa. (Fonte: Adaptado de: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)
Tal como já foi referido anteriormente, o biogás extraído das várias fontes disponíveis,
pode ter diversas finalidades. Uma dessas finalidades é a injecção desse mesmo gás,
depois de ser purificado, na rede de gás natural. Desta forma, para se poder ficar com
uma ideia mais concreta acerca desta possibilidade, é apresentado o seguinte gráfico
representado pela figura 25, que traduz o número de centrais de purificação de biogás,
com injecção na rede de gás natural na Europa.
55
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 25 - Centrais de purificação de biogás com injecção na rede de Gás natural na Europa. (Fonte:
Adaptado de: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)
56
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 6:
Processos de purificação de biogás
Tal como já foi referido anteriormente, a utilização final do biogás, vai ditar a
qualidade deste e por consequente o processo de limpeza e purificação a ser empregue
para o efeito.
Desta forma, qualquer processo de purificação e limpeza, com a finalidade de evitar
qualquer dano nos equipamentos de queima e aumentar o seu poder calorífico, consiste
essencialmente em isolar o Metano, dos restantes constituintes do biogás. Assim é
atingida uma redução nas emissões de CO2 para a atmosfera e ao mesmo tempo um
aumento do seu potencial energético.
Os processos de purificação podem ser divididos em várias etapas.
Após a separação do Dióxido de Carbono do biogás, é ainda necessário efectuar uma
limpeza do biogás, uma vez que este apresenta diversos tipos de resíduos, tais como os
que já foram referidos anteriormente. Desta forma, a sua limpeza é inevitável para se
poder atingir um biogás livre de CO2 e de impurezas, aproximando-se a sua composição
da apresentada pelo gás natural.
Assim sendo, para proceder a este tipo de separação, poderão ser utilizados diversos
métodos, como os que a seguir são apresentados.
57
Limpeza e Purificação de Biogás
6.1 Purificação por membrana
No caso dos biocombustíveis, um dos processos mais recentes consiste na
aplicação de membranas, figura 26, para a purificação e enriquecimento de biogás. Este
tipo de membranas é estudado há algum tempo, mas apenas recentes desenvolvimentos
tornaram viável o seu uso ao nível económico e técnico.
O princípio é que alguns componentes do biogás podem ser transportados através de
uma membrana fina (<1mm) enquanto outros ficam retidos. O transporte de cada
componente acontece por diferença de pressão parcial e pela dependência do
componente à permeabilidade do material da membrana. Para o caso do metano com
alta pureza a permeabilidade deve ser elevada. Uma membrana sólida construída de
polímeros de acetato–celulose é de 20 e 60 vezes mais permeável para o CO2 e H2S,
respectivamente, do que para o CH4. A pressão requerida pelo processo encontra-se
entre os 25 e 40 bar.
Rautenbach et al., (1987) projectou uma planta piloto para remover o CO2 do biogás
usando a técnica de separação por membranas. Desta forma foi demonstrado que as
membranas de acetato-celulose são mais permeáveis ao CO2, O2 e H2S. A melhor
separação ocorreu a uma temperatura de 25°C e uma pressão de 5,50 bar.
O fluxo de gás que atravessa a membrana aumenta proporcionalmente com a diferença
de pressão parcial. Assim, quanto maior a diferença de pressão, menor é a área
requerida da membrana. Entretanto, a pressão máxima que a membrana pode suportar
deve ser levada em consideração, (Glub et all,1991).
58
Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 26 - Esquema de um filtro de membrana. (Fonte: Medal membrane systems for Biogas/Landfill gas,
Air Liquide)
6.2 Purificação utilizando WS
O seguinte método, Water scrubbing, como demonstrado através da figura 27,
para lavagem do biogás é geralmente aplicado e bastante eficiente, até mesmo para
baixas produções de biogás. A facilidade e o baixo custo deste método envolvem o uso
da água pressurizada como absorvente e pouca infra-estrutura.
O biogás é comprimido e alimentado no sentido ascendente da base de uma coluna de
absorção e água pressurizada é pulverizada em sentido contrário ao biogás, sentido
descendente. O processo de absorção é contra corrente. Assim o CO2 e o H2S são
dissolvidos na água sendo recolhidos no fundo da torre de absorção. A água pode ser
reciclada e usada para a primeira lavagem do biogás na torre. Sendo este um dos
métodos mais simples de lavagem do biogás.
Bhattacharya et all, (1988), desenvolveram um sistema de lavagem de gás onde se
obteve 100% de metano puro, mas depende de factores como: dimensões da torre de
lavagem, pressão de gás, composição de biogás, fugas e pureza da água utilizada.
Khapre (1989) projectou um tipo contínuo de lavador contra corrente com uma taxa de
59
Limpeza e Purificação de Biogás
fluxo do gás de 1,8 m3/h em 0,48 bar de pressão e taxas de entrada de água de 0,465
m3/h. Reduziu-se continuamente CO2 de 30% na entrada a 2% na saída em volume.
O método de remoção de CO2 e H2S, a partir deste tipo de processo, é bastante
conhecido em instalações de produção e purificação de biogás, na Suécia, França e
EUA. Os resultados mostram que de 5-10% de CO2 permanece após a lavagem
(Wellinger et all, 1999), (Salomon, Karina, 2007).
Figura 27 - Esquema de purificação (Water scrubbin). (Fonte: www.flotech.com/biogas.htm)
6.3 Purificação utilizando PSA
O sistema de PSA, Pressure Swing Adsorption, constitui outro método de
limpeza e purificação do biogás. Este processo é utilizado para a separação de certos
componentes de uma mistura de gases sob pressão, tendo em conta as características
moleculares e capacidade de serem captadas pelos materiais de adsorção. A figura 28
mostra como os materiais de adsorção seleccionam apenas algumas moléculas do gás.
Os materiais de adsorção seleccionados para o efeito, poderão ser: carvão activado,
sílica gel, alumina, etc.
Estes materiais de adsorção, são utilizados como filtro molecular a altas pressões.
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Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 28 - Esquema de captação de impurezas do biogás PSA (Pressure Swing Adsorption). (Fonte:
Eindhoven University of Technology, 2008)
O sistema consiste de quatro colunas de adsorção, como pode ser visto através da figura
29. Durante o processo de adsorção, o biogás é injectado pela base das colunas de
adsorção. Na coluna de adsorção, o CO2, O2 e N2 são retidos, fazendo com que à saída
das colunas, o gás contenha mais de 97% CH4.
O processo de operação é efectuado da seguinte forma:
Antes da coluna de adsorção estar completamente saturada com impurezas, a
fase de adsorção é parada e é passada para outra coluna de adsorção que já tenha sido
regenerada, para se assegurar um funcionamento contínuo. A regeneração das colunas
de adsorção é efectuada através da sua despressurização até à pressão atmosférica e
posteriormente até muito próximo do vácuo.
O gás libertado pelas colunas de adsorção nesta fase, contêm grandes quantidades de
CH4, o qual vai ser reciclado, passando novamente para o biogás a purificar.
Antes de se passar novamente à fase de adsorção, cada coluna, é novamente
pressurizada até à pressão de adsorção.
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Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 29 - Esquema de purificação PSA (Pressure Swing Adsorption). (Fonte: Eindhoven University of
Technology, 2008)
6.4 Purificação utilizando tecnologia criogénica
O método de purificação criogénica do biogás, envolve a separação dos
constituintes do gás por condensação e destilação fraccionária a baixas temperaturas.
Este processo tem a vantagem de recuperar o componente puro na forma líquida e desta
forma, transportá-lo convencionalmente. Mas possui duas desvantagens: alto custo de
investimento e operação e baixa eficiência térmica devido a variação de fluxo.
Neste processo o biogás é comprimido a aproximadamente 80 bar. O compressor
utilizado é de múltiplos estágios com “intercooling”. O biogás é refrigerado por chillers
e permutadores de calor, acima de -45°C, condensado o CO2 que é removido e
separado. Posteriormente o CO2 é processado para recuperar o metano que é reciclado
para a entrada de gás. Neste processo consegue-se obter 97% de metano puro, (Hagen et
al, 2001).
62
Limpeza e Purificação de Biogás
Desta forma, pode-se dizer, resumindo, que este processo assenta na teoria das
diferentes temperaturas de condensação apresentadas pelos constituintes do biogás
captado, como se pode verificar através da análise da tabela 12, (Benjaminsson, 2006).
Tabela 12 - Temperaturas de condensação à pressão atmosférica, para os diferentes constituintes do biogás.
Composto
Temperatura de condensação
(0C)
CO2
-78.5
CH4
-161
N2
-196
(Fonte: Adaptado de Benjaminsson 2006)
Assim, para se proceder à separação e limpeza do biogás, utilizando a tecnologia
criogénica, é necessário percorrer diferentes fazes, (Figura 30).
Para o caso da tecnologia criogénica desenvolvida pela Scandinavian Gts, esta é
composta por 4 fazes distintas.
Na primeira fase, a mistura é arrefecida até os +6ºC, o que faz com que alguns
constituintes dessa mesma mistura condensem, juntamente com a maioria dos
contaminantes nela contidos, o que posteriormente será drenado para fora da mistura.
A segunda fase, tem como objectivo fazer a remoção de Siloxeno e Sulfitos de
Hidrogénio, H2S, para isso a mistura é arrefecida até aproximadamente -25ºC, o que faz
com que a água ainda existente na mistura congele e o Siloxeno condense, para
posteriormente ser removido. O H2S e o restante Siloxeno serão removidos, fazendo uso
de um filtro Soxsia®. Este filtro é um catalisador que absorve Siloxeno ao mesmo
tempo que Converte o H2S, em enxofre puro, S, através de uma reacção química
regenerativa utilizando oxido de ferro.
63
Limpeza e Purificação de Biogás
Para a terceira fase, baixa-se a temperatura para cerca dos -78ºC, o que provoca a
condensação do dióxido de carbono, CO2. Posteriormente o CO2 liquido, LCO2, é
retirado da mistura e armazenado, podendo ser utilizado como refrigerante no processo
ou distribuído para uma industria que o utiliza, fazendo desta forma a rentabilização de
um subproduto. O biogás proveniente desta terceira fase é um gás livre de impurezas e
pode ser injectado na rede de Gás Natural, após ser comprimido, ou ainda queimado no
local para geração de calor ou energia eléctrica.
Para a produção de biogás liquido, LBG, introduz-se a mistura na quarta e ultima fase,
onde a temperatura é diminuída até cerca de -190ºC, o que provoca a condensação do
Metano, CH4, e a separação do nitrogénio, N2 Desta forma o LBG pode ser utilizado
como combustível em motores de combustão interna.
Figura 30 - Esquema de purificação (CBG & LBG Cryogenic technology) (Fonte: www.scandinaviangts.com)
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Limpeza e Purificação de Biogás
6.5 Purificação utilizando CO2 Wash
O CO2 Wash, figura 31, é um processo testado e desenvolvido com sucesso, pela
parceria entre Acrion Technologies e Mack Trucks, desde 1995 até 2005 em estações
piloto.
Este método de purificação assenta essencialmente em três etapas:

1ª- Compressão e pré-tratamento do biogás;

2ª- Purificação do biogás;

3ª- Liquefacção e armazenamento do biometano.
Figura 31 - Esquema de purificação (CO2 Wash) (Fonte: www.acrion.com)
É de salientar que para a execução da primeira e da terceira etapas são utilizados
processos e equipamentos já existentes no mercado, os quais são adquiridos como
soluções “chave na mão”. No que diz respeito à segunda etapa, esta sim é desenvolvida,
como já foi referido anteriormente pela Acrion Technologies em parceria com a Mack
Trucks.
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Limpeza e Purificação de Biogás
1ª Etapa:
Tal como já foi referido, esta etapa destina-se à compressão e pré-tratamento do biogás,
o que se resume à remoção de H2S e desidratação do biogás. A compressão do sistema,
cerca de 2,07 Mpa, faz com que parte do CO2 existente no biogás condense e assim seja
retirado da mistura.
Para extracção de H2S da mistura é utilizada uma unidade de tratamento com um
solvente não regenerativo à base de ferro, o qual reage com o H2S, formando desta
forma Sulfitos de ferro. Quanto à desidratação do biogás, é utilizada uma unidade PSA,
onde a temperatura é lavada abaixo do ponto de orvalho da água, cerca de -62ºC. Desta
forma o biogás pré-tratado, é introduzido á pressão de serviço na segunda etapa.
2ª Etapa:
Esta tecnologia converte o biogás em metano e dióxido de carbono limpos, ou seja,
produtos com valor comercial. Os contaminantes são removidos utilizando um solvente
de dióxido de carbono líquido condensado directamente a partir do biogás. Como
resultado, não há necessidade de adquirir, armazenar, regenerar ou alienar bens
potencialmente perigosos como solventes orgânicos.
O biogás seco comprimido é introduzido numa coluna tipo, onde os contaminantes são
removidos a aproximadamente -51ºC. O CO2 condensa no topo da coluna e uma
pequena parte deste líquido é enviada ao longo da coluna, que em contacto com o
biogás, vai absorver as impurezas presentes no mesmo. O restante CO2 liquido, é
armazenado e distribuído por indústrias que o utilizem, rentabilizando desta forma ainda
mais o processo. Por fim, no topo da coluna sai o biogás com uma composição de
aproximadamente 75% de CH4 e 25% de CO2. Esta mistura será introduzida num filtro
permeável a CO2, fazendo-se desta forma a extracção do CH4 puro.
A purificação através da remoção de contaminantes vestigiais do biogás atinge as ppb
(parte por bilião), o que se mostra bastante eficiente
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Limpeza e Purificação de Biogás
3ª Etapa:
Por fim temos a terceira e ultima etapa deste processo de limpeza e purificação de
biogás, que como já foi referido anteriormente, é adquirida como solução “chave na
mão”, já disponível e comercializada no mercado. Esta etapa limita-se à liquefacção e
armazenamento do CH4.
A liquefacção e armazenamento de CH4 puro, é uma operação simples e que pode ser
realizada por diversos meios, dependendo como é óbvio da escala de produção. Para
montantes relativamente pequenos, menos de 10.000 litros por dia, é dispensável a
utilização de nitrogénio líquido (LIN), sendo este o refrigerante preferido para este
processo. Para uma produção variando 10.000 a 40.000 litros por dia, é preferível um
ciclo de refrigeração, utilizando LIN. Quando a produção excede 40.000 litros, a melhor
solução baseia-se num sistema de mistura de refrigerantes, sendo este tipo de sistema o
que oferecem uma maior eficiência, (Adaptado de www.acrion.com).
A título de curiosidade
A figura 32 mostra os resultados de uma comparação de diferentes processos de
purificação, efectuado pela Scandinavian GTS, no que se refere a perdas de CH4, que,
tal como já foi referido anteriormente, é o componente do biogás que se pretende
maximizar na mistura, de modo a que este atinja o maior nível de purificação possível.
Assim, como se pode verificar, através desta comparação, o processo que apresenta uma
menor perda de CH4 é o processo que utiliza a tecnologia criogénica, cerca de 0,5%, o
que comparado com os restantes valores poderá ser um ponto a favor desta tecnologia.
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Limpeza e Purificação de Biogás
Figura 32 - Comparação da perda de CH4 em processos de purificação. (Fonte: Biogas as a vehicle fuel,
Scandinavian GTS)
No que se refere a eficiência energética, alguns processos de limpeza e purificação, são
pouco viáveis precisamente por requererem muita energia para o seu funcionamento.
Desta forma torna-se extremamente importante que alem do processo, a ser
seleccionado para uma qualquer instalação, ser eficiente a nível de limpeza e
purificação, seja também eficiente a nível energético.
O presente estudo, figura 33, refere a possibilidade de poupança de energia,
fazendo utilização de LBG em vez de CBG, no que se refere a tratamento, transporte,
abastecimento e consumo. Assim, a possibilidade de redução do consumo de energia
nestes pontos deve-se a diversos factores:
 O LBG reduz em 3 vezes menos o volume ocupado quando comparado com o
CBG.
 A pressão de serviço do LBG é cerca de 100 vezes inferior à pressão de serviço
do CBG.
 No caso dos abastecimentos com LBG, ñ é necessário compressores, como seria
obrigatório em abastecimentos de CBG.
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Limpeza e Purificação de Biogás
Tendo em conta o presente estudo, sem duvida alguma que o LBG é um combustível
com grande potencial de competitividade relativamente aos combustíveis tradicionais.
Poupança de Energia (%)
 Tratamento: 25% a 50%;
 Distribuição: 80%;
 Abastecimento: 75%;
 Consumo: 15% a 20%.
Figura 33 - Poupança de Energia (%) utilizando Cryogenic Technology. (Fonte: Biogas as a vehicle fuel,
Scandinavian GTS)
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Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 7
Caso de estudo
7.1 Requisitos para CVO
O presente caso de estudo, incide na construção de uma central de valorização
orgânica, CVO, para produção, limpeza e purificação de biogás, com a finalidade de
produção de biometano para posterior injecção na rede.
Em 2005 a Suldouro, S.A. lançou um concurso público internacional para a construção
de uma central de valorização orgânica por digestão anaeróbia no interior das
instalações do aterro sanitário de Sermonde, figura 34. A área reservada para esta infraestrutura abrange 3,10 ha localizando-se no limite Sul da instalação.
Figura 34 - Localização da implementação da CVO no aterro de Sermonde. (Fonte: Suldouro como produtor
de biogás, 2009)
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Limpeza e Purificação de Biogás
Localização
O aterro sanitário de Sermonde, figura 28, abrange uma área de cerca de 28 ha,
contemplando todas as infra-estruturas de apoio necessárias à gestão de uma infraestrutura de confinamento técnico de resíduos sólidos urbanos.
O sistema multimunicipal de tratamento e valorização de resíduos sólidos urbanos do
Sul do Douro foi criado pelo Decreto-Lei 89/96, de 3 de Março, sendo a sociedade
concessionária a Suldouro – Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos,
S.A. O contrato de concessão foi assinado a 30 de Junho de 1996 e, de acordo com a
Cláusula 4ª, a concessão é válida por um período de 25 anos.
A Suldouro, S.A. abrange dois municípios, Santa Maria da Feira e Vila Nova de Gaia,
uma área geográfica de 384 km2, uma população de 4.626.811 habitantes, tendo
registado no ano de 2006 uma produção de RSU de 180.379 toneladas.
As garantias de produção e composição de biogás que o Consórcio Empreiteiro está
contratualmente obrigado a cumprir são as apresentadas na tabela 13.
Tabela 13 - Garantias de produção e composição do biogás.
Parâmetros
Valor Garantido
Produção de biogás
Superior a 450m3/t de sólidos voláteis
Teor de Metano
Superior a 60% do volume do biogás
Teor de Dióxido de Carbono
Inferior a 40% do volume do biogás
Teor de Azoto
Inferior a 15% do volume do biogás
Teor de Oxigénio
Inferior a 1% do volume do biogás
Teor de Sulfitos de Hidrogénio
Inferior a 500 ppm
Valores residuais de "halides" (derivados
halogenados de hidrocarbonetos) e teor de
outros compostos orgânicos diferentes de
metano
Humidade
Inferior a 100 ppm
Inferior a 5% do volume do biogás
(Fonte: Adaptado de Suldouro como produtor de biogás, 2009)
71
Limpeza e Purificação de Biogás
Tendo em conta a quantidade de resíduos processada (20.000 ton/ano de RUB
recuperados de 43.000 ton/ano de RSU objecto de recolha indiferenciada) e as
caracteristicas físico-químicas dos RSU disponibilizadas, a produção de biogás que o
Consórcio Empreiteiro estimou em sede de projecto de execução (balanço mássico) é
de:
 2.764.942 m3/ano (3.229 ton/ano);
 316 m3/h.
7.2 Proposta de instalação
Uma possível e solução para a limpeza e purificação do biogás produzido, será a
tecnologia utilizada pela Carbotech, PSA.
A possível solução utilizada pela Carbotech, é detalhada seguidamente.
A solução utilizada pela Carbotech está elaborada para funcionar automaticamente,
todos os processos, start, stop, normal funcionamento, fecho de emergência, mudança
de operação, são assegurados pelo sistema central de controlo implementado. Desta
forma a supervisão e manutenção por parte de pessoal habilitado é limitada a intervalos
de tempo pré-definidos.
Antes de entrega, o sistema proposto será parcialmente testado, para assegurar o seu
correcto funcionamento. A sua instalação no local será efectuada através da junção de
diversos módulos, contentores, válvulas de pressão, tubagens, em fundações preparadas
para o efeito. Posteriormente serão conectados às redes de gás e electricidade
disponíveis.
72
Limpeza e Purificação de Biogás
Descrição
A processo consiste essencialmente em duas etapas:
 Limpeza do biogás, (Desulfurização);
 Purificação do biogás.
A limpeza do biogás consista essencialmente em filtrar o biogás captado para se
proceder à extracção de Sulfitos de Hidrogénio, H2S, por forma a evitar contaminações
e danos nos equipamentos de purificação e queima. O biogás é injectado numa torre de
limpeza, onde através de um processo biológico é removida a maioria de Sulfitos de
Hidrogénio presentes no biogás.
Quanto à purificação do biogás, é um processo que se subdivide em vários passos:
 Compressão do biogás;
 Condicionamento do biogás;
 Enriquecimento de Metano.
Após a limpeza do biogás, este tem obrigatoriamente que ser pressurizado, para isso é
necessária a sua injecção num compressor. Após este estágio de compressão, o biogás
passa por uma unidade de refrigeração, que consiste em arrefecer e retirar a humidade
presente no biogás. Por fim, o biogás é filtrado por um PSA, utilizando torres de carvão
activado, para remoção de óleos de lubrificação utilizados no compressor, bem como o
dióxido de carbono e outras impurezas presentes no biogás. A remoção destas
impurezas é efectuada pelo pré filtro existente na unidade de adsorção bem como o
carvão activado presente nas torres de adsorção.
Descrição do processo
A desulfurização do biogás, como já foi referido anteriormente consiste em
eliminar sulfitos de hidrogénio do biogás. Este processo consiste em injectar o biogás
73
Limpeza e Purificação de Biogás
proveniente do digestor na base de uma torre de lavagem, onde este encontra um fluxo
de líquido (água) em contra-corrente. Este líquido é de natureza alcalina, para aumentar
a sua eficiência de adsorção de H2S.
A água proveniente da desulfurização do biogás, tem a necessidade de ser regenerada,
para isso, faz-se uso de um bioreactor. No bioreactor é adicionado ar, que através da
presença de oxigénio e bactérias, oxida o H2S
Este processo de remoção de H2S, possibilita a redução de H2S de cerca de 1500 ppm
para cerca de 100 ppm, sendo o restante H2S presente no biogás, removido através da
unidade de PSA.
O processo de enriquecimento de CH4 utilizado, tem por base no fenómeno de adsorção
física e é patenteado pela CarboTech.
O processo PSA, trabalha essencialmente a dois níveis de pressão:
 A adsorção de impurezas é levada a cabo a alta pressão, com a finalidade de se
aumentar a pressão parcial e por conseguinte a remoção das impurezas através
do material adsorvente.
 A regeneração do material de adsorção é efectuada a baixa pressão, para retirar o
máximo de impurezas do material de adsorção, de modo a atingir o máximo de
limpeza possível, o que se traduz numa maior eficiência e por conseguinte uma
maior recuperação de CH4.
Esta unidade de PSA consiste em 6 torres adsorventes, carregadas com o
material de adsorção, (Carvão activado). As torres de adsorção operam em modo
alternado, adsorção/regeneração.
Adsorção:
A fase de adsorção dá-se com a entrada do biogás na base das torres de adsorção.
Quando o biogás é injectado nas torres de adsorção, CO2, O2 e N2 são capturados pelo
material de adsorção, saindo o biogás enriquecido pela parte superior das torres de
adsorção.
74
Limpeza e Purificação de Biogás
Quando a torre de adsorção atinge o limite de saturação de impurezas, derivadas à
limpeza do biogás, esta é fechada e outra torre de adsorção já regenerada, é aberta para
que o processo de enriquecimento de Metano seja contínuo.
Devido a outras impurezas, originadas pelo uso de biomassa proveniente de resíduos
orgânicos, há a necessidade da utilização de um sistema de pré-filtragem do biogás,
antes deste atingir a fase de adsorção, para desta forma ser assegurada a qualidade do
biogás final.
O sistema de pré-filtragem faz uso de carvão activado para que sejam removidos
hidrocarbonetos, calorias, cloretos, etc, que são prejudiciais, para, como já foi referido
anteriormente, assegurar a qualidade do biogás, bem como prolongar o bom
funcionamento das unidades PSA. Interessa salientar que o carvão activado do sistema
de pré-filtragem deve ser regularmente substituído, uma vez ao ano, neste caso em
concreto.
Regeneração:
A fase de regeneração das unidades PSA, é efectuada através de uma despressurização
da torre de adsorção até que esta atinja a pressão atmosférica e posteriormente até
condições de vácuo. Quando se dá a despressurização das torres de adsorção, o gás
extraído contem significantes quantidades de Metano, o qual será reciclado e injectado
novamente no sistema de purificação. As condições de vácuo, para se atingir a total
regeneração da torre de adsorção, são asseguradas através de uma bomba de vácuo.
Produto biogás:
 Gama de temperaturas: 20 a 40ºC;
 Pressão: 4bar(g) após PSA;
 Fluxo de gás, apróx.: 190Nm3/h
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Limpeza e Purificação de Biogás
Composição:
 CH4: >95%;
 CO2+O2+N2 <5%;
 H2S <3mg/m3.
Dados de Combustão:
 Valor calorífico: > 10,6kWh/Nm3;
 Indice de Wodde: >13,8kWh/Nm3;
 Densidade relativa: 0,59
Biogás do digestor:
 Gama média de temperaturas: 15 a 40ºC;
Min/Máx: 5ºC/45ºC
 Pressão média: 3mbar(g);
Min/Máx: 0,0mbar(g)/10mbar(g)
 Fluxo médio de gás: 350Nm3/h
Min/Máx: 100Nm3/h/370Nm3/h
Composição típica , base seca, 35ºC, 3mbar(g)
 CH4: Média: 54%, Gama: 55% a 65 %
 CO2: Média: 45%
 O2: Média: 0,2% Gama: 0% a 0.2 %
 N2: Média: 0,8% Gama: 0% a 0.8 %
 H2O: Média: 0%
 H2S: Média: 500ppm Gama: 100ppm a 1500ppm
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Limpeza e Purificação de Biogás
Condensados:
 Pressão atmosférica
 Temperatura (Min.): 4ºC
 Fluxo (apróx.): 10l/h
Gás a reciclar:
 Temperaturas (apróx.): 10ºC a 50ºC
 Pressão (Máx.): 0,1bar(g)
 Fluxo (apróx.): 170Nm3/h
Composição (apróx.)
 CH4: < 4%
 CO2: > 92%
 O2 + N2: <1%
 H2O: < 5%
 H2S: <3mg/m3
Requisitos para o funcionamento:
Os requisitos que se seguem estão sujeitos a uma flutuação de 5% relativamente aos
valores apresentados.
Potência eléctrica instalada:
 Unidade de remoção de H2S: 10kW
 Unidade de PSA: 180kW
Total instalado: 190kW
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Limpeza e Purificação de Biogás
Consumo médio aproximado: 95kWh/h.
Inclui:
 Unidade de remoção de H2S;
 Unidade de arrefecimento de água;
 Chiller;
 Unidade de controlo de ar;
 Maquinaria auxiliar.
Carvão activado, Unidade H2S e PSA
Unidade de H2S:
O carvão activado é necessário para remoção de H2S de 100ppm para menos de 3ppm.
 Consumo médio em funcionamento máximo: 600kg/ano
PSA:
O carvão activado é utilizado para adsorção de hidrocarbonetos prejudiciais.
 Consumo médio em funcionamento máximo: 60kg/ano
Unidade de Remoção de vestígios de óleo:
O carvão activado é utilizado para a remoção de vestígios de vapor de óleo proveniente
do compressor.
 Consumo médio em funcionamento máximo: 200kg/ano
Nitrogénio:
O Nitrogénio é utilizado para arranques e longos períodos de paragem do sistema Tem a
finalidade de assegurar as trocas efectuadas pelo material de adsorção bem como
assegurar o funcionamento do equipamento de purga e análise do biogás.
 Consumo total, (apróx): 80m3
 Pressão: 6bar(g)
 Temperatura: Ambiente
 Percentagem de oxigénio: <0,05%
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Limpeza e Purificação de Biogás
Condições de localização:
 Temperatura: 10ºC a 45ºC
 Temperatura mínima: 5ºC
 Temperatura ideal de funcionamento: 35ºC
Niveis de ruído:
 ≤ 85 dB, (a 3 metros de distância do limite da instalação)
Espaço requerido:
O espaço ocupado pelos equipamentos, unidade de remoção de H2S, unidade de
enriquecimento de CH4, equipamentos auxiliares, será de aproximadamente 10 x 15m e
terá um peso de cerca de 80 t.
O sistema da CarboTech, é construído de acordo com a norma europeia DIN EN ISSO
9001.
Equipamentos necessários à montagem da CVO:
Unidade de remoção de H2S:
 Bioreactor;
 Coluna de purificação;
 Depósito de nutrientes;
 Bomba de circulação;
 Bomba doseadora de nutrientes;
 Compressor;
 Ventilador,
 Sistema de refrigeração.
Unidade de enriquecimento de CH4:
 Torre de Adsorção, (6), material em aço-carbono Hll ou equivalente;
 Pressão de projecto, 7bar (g);
 Temperatura de projecto, 60ºC;
79
Limpeza e Purificação de Biogás
Unidade de pré-filtragem:
 Pré-filtro, (6), material em aço-carbono Hll ou equivalente;
 Pressão de projecto, 7bar (g);
 Temperatura de projecto, 60ºC;
Unidade de captação de biogás do digestor:
 Depósito, (1), material em aço inoxidável;
 Pressão de projecto, 1bar (g);
 Temperatura de projecto, Min. -30ºC, Máx 60ºC;
Unidade de captação de biogás em purificação:
 Depósito, (1), material em aço-carbono;
 Pressão de projecto, 7bar (g);
 Temperatura de projecto, 60ºC;
Unidade de ventilação:
 Ventilador, (1), material em aço-carbono;
 Pressão de projecto, 10bar (g);
 Temperatura de projecto, 60ºC;
Sistema de refrigeração após arrefecimento:
 Permutador de calor em casca de tubos, (1) material em aço inoxidável,
(1.4571);
 Pressão de projecto, 7bar (g);
 Temperatura de projecto, 250ºC;
Sistema de refrigeração final:
 Permutador de calor em casca de tubos, (1) material em aço inoxidável,
(1.4571);
 Pressão de projecto, 7bar (g);
 Temperatura de projecto, 250ºC;
Sistema de remoção e dreno de condensados em aço inoxidável.
80
Limpeza e Purificação de Biogás
Exemplos de Instalações:
Figura 35 - Unidade de enriquecimento de biogás, BGA 500. (Fonte: CarboTech, Germany, 2007)
Figura 36 - Esquema de uma unidade de enriquecimento de biogás, 2x BGA 1000. (Fonte: CarboTech,
Germany, 2007)
81
Limpeza e Purificação de Biogás
7.3 Estudo de viabilidade
7.3.1 Custo de produção do biogás
A produção de biogás, tem obrigatoriamente um custo associado, tendo em conta a
aquisição da biomassa, o consumo energético por parte dos equipamentos da CVO e
armazenamento. Desta forma, e tendo por base a CVO proposta pela CarboTech, serão
imputados os seguintes custos à produção de biogás:
Custo de produção de energia eléctrica:
 Motogerador, 0.02€/kWh – 45,6€/dia
Carvão activado:
 Carvão activado para Unidade de remoção de H2S: 7,89 €/dia
 Carvão activado para Unidade PSA: 4,73 €/dia
 Carvão activado para Unidade de pré-filtragem: 1,86 €/dia
Total consumíveis: 14,48€/dia
Total: 60,08€/dia
Tendo em conta os dados acima referidos, o custo de produção do biogás por
dia, ronda os 60,08€/dia. Tendo em conta uma produção de 4550m3/dia de biometano,
resulta cerca de 0,0132€/m3 de biometano produzido.
Nota: O custo de produção do biogás apresentado não contabiliza o consumo de
nitrogénio, bem como de outros serviços casuais.
82
Limpeza e Purificação de Biogás
7.3.2 Investimento
No que se refere a investimentos, a proposta efectuada pela CarboTech apresenta
os seguintes valores:
 Unidade de remoção de H2S: 140.000€
 Unidade PSA: 1.280.000€
 Equipamento de desgaste para funcionamento (1 ano), incluído carvão activado:
48.000€
 Transporte, construção e formação: 90.000€
 Investimento total, “chave na mão”: 1.558.000€
Todos os valores apresentados incluem mão-de-obra de montagem, supervisionamento,
comissionamento, formação, teste e deslocação.
Investimento para motogerador:
 Custo: 1.5€/W
Tendo em conta a produção de 95kWh/h de energia eléctrica necessária para todo o
processo de limpeza e purificação que possibilite a posterior injecção na rede, é
aconselhável a aquisição de um equipamento que produza 10% a mais dessa energia.
Produção de 105kWh/h.
 Motogerador: 157.500€
Total do investimento: 1.715.500€
83
Limpeza e Purificação de Biogás
Orçamento para consumíveis:
 Carvão activado para Unidade de remoção de H2S: 4,8€/kg
 Carvão activado para Unidade de pré-filtragem: 3,4€/kg
7.3.3 Venda de Biometano
O biogás resultante da purificação e enriquecimento por parte da CVO, tal como
já foi referido anteriormente, será injectado na rede de gás natural.
Assim sendo, as quantidades produzidas de biogás, rondaram aproximadamente
316m3/h, o que perfaz um total de 2.764.942m3/ano.
Tendo em conta as tarifas de mercado actuais, dependendo do tarifário contratado,
(0,575€/m3 a 0,689€/m3), o valor de venda de biometano, será de cerca de 0,631 €/m3.
Como já foi referido anteriormente, a produção de biogás diária ronda os 7584m3, o que
se traduz numa produção de cerca de 4550m3 de biometano.
Sabendo que o consumo de energia para purificação é de 105kWh/h, o que corresponde
a cerca de 15,21m3/h, restam 300,79m3/h de biogás a purificar para posterior injecção.
Desta forma, a produção de biometano rondaria os 180,5m3/h.
 Venda de biometano à rede: 2.733,5€/dia.
 997.724,6€/ano
 Despesas de processo: 21.929,2€/ano
 Receitas anuais: 975.795,4€/ano
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Limpeza e Purificação de Biogás
Payback:
Payback 
Investimento
Re ceitas anuais
Payback 
1.715 .500€
975.795,4€
Payback  1.8 anos
Tendo em conta os investimentos e as receitas anuais, o retorno do investimento seria de
aproximadamente 2 anos. Pode-se afirmar que é uma recuperação de investimento
rápida.
Verificando todas as políticas adoptadas no intuito de reduzir emissões e cada vez mais
diminuir a dependência dos combustíveis convencionais, o aproveitamento energético
do biogás mostra-se uma solução com viabilidade e com elevado potencial para atingir
os objectivos propostos por Portugal.
Como se pode verificar através dos valores apresentados, nomeadamente custo de
produção, venda de biometano e recuperação do investimento, verifica-se de forma
positiva a viabilidade económica deste processo, para posterior injecção na rede.
85
Limpeza e Purificação de Biogás
Capítulo 8
Conclusões
As políticas energéticas adoptadas pela União Europeia e mais em concreto por
Portugal, mostram serias preocupações acerca do crescimento do consumo energético
com proveniência em fontes de energia tradicionais, bem como nas emissões de G.E.E.
originadas por esse consumo. O aproveitamento energético de Biogás, encaixa nessas
políticas uma vez que através da sua produção, verifica-se uma diminuição das emissões
de CH4 e de CO2 para a atmosfera e diminui-se ainda a dependência de energias de
origem tradicional.
A viabilidade de produção de biogás, traduz-se também na grande variedade de
bio-recursos possíveis de utilizar para a sua produção. Como já foi referido
anteriormente, em Portugal os sectores que dão origem a quantidades avultadas de
resíduos adequados à produção de biogás são os da agro-pecuária, resíduos sólidos
urbanos, as lamas de tratamento dos esgotos domésticos e os efluentes da indústria
alimentar e seus derivados.
A produção de biogás por digestão anaeróbia exige a construção de um
biodigestor. As soluções de digestores apresentadas no presente trabalho, mostram-se
bastante eficientes e de fácil implementação. A selecção do biodigestor a ser
implementado, condiciona de modo significativo a produção e a captação de biogás.
Um dos processos para a produção de biogás é a digestão anaeróbia. Alem da
produção de Biogás, através deste processo é possível a captação e armazenamento de
86
Limpeza e Purificação de Biogás
CO2, bem como o tratamento dos efluentes e a sua utilização como fertilizante agrícola,
rentabilizando desta forma subprodutos do processo.
Para proceder ao aproveitamento energético do Biogás, é necessário todo um conjunto
de equipamentos e soluções que possibilitem à sua captação e posterior limpeza, de
modo a que se rentabiliza ao máximo todos ao produtos e subprodutos.
O Biogás produzido pode ter diversas finalidades, tais como, queima directa para
produção de electricidade, purificação para posterior utilização como biometano em
diversas formas.
No caso da produção de biometano, este terá aproximadamente uma eficiência média de
60% em relação à energia contida no Biogás. Para o caso da produção de electricidade,
esta rondará os 35% da energia contida no Biogás.
Assim sendo, interessa referir que a produção de biometano será uma opção
mais rentável economicamente, como se mostra através da tabela 15.
Tabela 14 - Tarifa paga mediante a finalidade do biogás.
Finalidade do biogás
Tarifa
Tarifa em [€/kWh]
Produção de biometano
0,631 [€/m3]
0,055
Produção de
electricidade
0,12 [€/kWh]
0,12
Tendo em conta o caso de estudo apresentado no presente trabalho, seguidamente serão
apresentados os valores de receita para as duas possibilidades de utilização do biogás.
Tabela 15 - Receita para o presente caso de estudo, mediante a finalidade do biogás.
Parâmetros
Biometano
(60%)
300,79m3/h
180,5 [m3/h]
Receita/h
113.9 €/h
Electricidade
(35%)
631,7 [kWh]
75,8 €/h
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Limpeza e Purificação de Biogás
Como trabalho futuro, sugiro a elaboração de um projecto de um sistema de limpeza e
purificação de biogás, pois sou de opinião que esta será uma via de desenvolvimento do
sector das energias renováveis bastante rentável. Defendo ainda que o aproveitamento
energético do biogás assenta nas ideologias e no futuro que Portugal terá que seguir para
desta forma atingir as metas a que se propôs, com o objectivo de reduzir emissões e a
dependência das energias tradicionais.
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Limpeza e Purificação de Biogás
Bibliografia
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[5] Directiva 2003/55/CE (“Documento do Parlamento Europeu e do Conselho de 26
de Junho de 2003 que estabelece regras comuns para o mercado interno de gás natural”)
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Limpeza e Purificação de Biogás
Anexos
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