A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
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IMPACTO DE UM BIODIGESTOR DOMICILIAR NA ECONOMIA
DE EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA EM UMA
PROPRIEDADE DA AGRICULTURA FAMILIAR DO CARIRI
PARAIBANO
Luis Cláudio MATTOS
Eng. Agrônomo, MS, Especialista em Incentivos Ambientais do PDHC
Projeto Dom Helder Câmara - www.projetodomhelder.gov.br
[email protected]
Joel KREHBIEL
Engenheiro Mecânico, Técnico Voluntário da AMAS
Associação Menonita de Assistência Social (Mennonite Central Committee www.mcc.org)
[email protected]
RESUMO
O avanço do desmatamento da vegetação caatinga tem gerado uma preocupação crescente
sobre estratégias de preservação deste bioma. O uso não sustentável da lenha com fins energéticos
domésticos é uma das principais causas do desaparecimento da vegetação. O trabalho de manejo
sustentável de terras e promoção da agroecologia desenvolvido pelo Projeto Dom Helder Câmara
com apoio do FIDA e GEF na região semiárida Brasileira visa identificar alternativas para o uso
sustentável dos recursos naturais ao mesmo tempo em que se implementa estratégias de
desenvolvimento e superação da pobreza rural. A implantação de biodigestores com vistas a
produção de biogás, poderia substituir os combustíveis utilizados no cozimento: lenha, carvão e o
gás liquefeito de petróleo (GLP). O presente artigo apresenta uma análise comparativa entre as
emissões de gases de efeito estufa (GEE), em uma situação antes e depois do biodigestor. Os dados
apresentados indicam que as emissões de GEE oriundas da atividade de cozimento realizada por
uma família de agricultores típica da região do Cariri Paraibano, podem variar de 1586 a 4348
kg de CO2Eq/Ano, dependendo do tipo de combustível utilizado. Após a instalação do biodigestor
estes valores se reduzem a uma faixa de 172 a 750 kg de CO2Eq/Ano. O que representa uma
redução de 50% a mais de 1000% nas emissões de GEE.
PALAVRAS-CHAVE: Energias renováveis; Aquecimento Global; Agricultura Familiar;
Caatinga; Semi-árido.
ABSTRACT
The deforestation of the natural Caatinga vegetation of Brazilian semiarid region
represents one of the main growing environmental concerns of the country. The use of firewood and
charcoal for cooking has been indicated as one important threat to this forest. The work of
sustainable land management and promotion of organic farming developed by Project Dom Helder
Câmara, with support from IFAD and GEF in the Brazilian semiarid region aims to identify
alternatives for the sustainable use of natural resources at the same time as implementing
development strategies and overcoming rural poverty. The implementation of anaerobic digesters to
produce biogas, could replace the fuel used in cooking: firewood, coal and liquefied petroleum gas.
The objective of this paper is to analyze the balance of greenhouses gases (GHG) emissions before
and after the biodigester‟s construction. The results have shown reductions of greenhouse gas
emissions, from values between 1586 and 4348 kg of CO2Eq/year to values between and 172 and
750 kg of CO2Eq/year. This represents reductions from 50 percent to more than 1000 percent.
KEYWORDS: Renewal Energy; Global Warming; Small Farmers; Forest; Semiarid
INTRODUÇÃO
A população que habita as zonas rurais da região semiárida brasileira, dependem
diretamente dos manejo dos recursos naturais. Os recursos de água e solo estão entre os mais
determinantes na sustentabilidade social e econômica da região. Em menor evidencia, mas não
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menos importante, encontram-se as fontes de energia. Muitas localidades rurais da região tem
adotado estilos de vida no campo mais próximos daqueles nas zonas urbanas. Algumas famílias, em
função da redução da disponibilidade de lenha tem pouco a pouco substituído o uso da lenha pelo
fogão a gás - Gás Liquefeito de Petróleo (GLP). Se antes, o uso da lenha ou carvão significava a
autonomia de recursos, atualmente, a introdução de GLP tem representado um fator a mais de
dependência. Além disso, o GLP representa uma fonte não renovável de energia, diferentemente da
lenha. Mas mesmo a lenha, sendo potencialmente renovável, tem sido usada de tal maneira que o
uso doméstico tem contribuído como um fator no desmatamento. A substituição da lenha e carvão
pelo GLP tem impactos também sobre a economia doméstica.
Motivados por investimentos não
retornáveis realizados pelo Projeto Dom
Hélder Câmara (PDHC), muitas famílias
tem
despertado interesse na implantação de
biodigestores como fonte alternativa ou
complementar de combustível. O biogás é
produzido a partir da fermentação
anaeróbica de esterco de curral. Tem
predominância de metano e, canalizado até
os
fogões, substituem o GLP (Figura 1). Em
entrevistas, as famílias beneficiarias do
Figura 1- Esquema simplificado do
PDHC que dispõe dos biodigestores tem
Biodigestor
manifestado satisfação com o investimento,
que
Quadro 1 - Efeitos atribuídos a instalação
de
biodigestores
pelas
famílias
que
os
possuem
possui efeito direto sobre vários dos
a diminuição da emissão de fumaça no interior da
aspectos da vida doméstica (Quadro 1). Os
casa,
a redução do trabalho de recolhimento de lenha da
impactos potencialmente negativos se
vegetação
referem ao custo de investimento inicial e
custo
economia com a compra de botijões de gás.
produção
de
biofertilizante
de manutenção em geral relacionado a
etc
economia de mão de obra na propriedade. O
balanço global das relações custo-beneficio e a satisfação das famílias indicam um saldo bastante
positivo com o investimento. Isto se deve em parte à adoção de um modelo simplificado de
biodigestor, de baixo custo, construído com materiais de fácil aquisição nos mercados locais,
facilitando a replicação.
Há contudo uma preocupação quanto a emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE). Os
modelos adotados permitem que parte dos GEE produzidos na fermentação escape para a atmosfera.
O presente estudo focou esta questão e procurou estabelecer parâmetros confiáveis para que se
possam prever os impactos sobre a emissão de GEE em uma situação com e sem biodigestor.
MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia adotada foi baseada e adaptada a partir daquela proposta pela US-EPA,
2008. Os dados coletados no campo se complementam com outros colhidos na bibliografia. As
projeções são de uma família típica da Região do Cariri Paraibano. Nesta comparação foi estudada
uma situação em que toda a energia do cozimento é substituída pelo Biogás. Para esta analise os
seguintes sistemas foram considerados:
Esterco no curral – Produz principalmente CO2, CH4 entre os GEEs. Para este exercício
considerou-se que o manejo do curral era o mesmo antes e depois da instalação do biodigestor, com
a única diferença de que parte do esterco depositado passa a ser recolhido para alimentar o
biodigestor. Por isso, para efeito comparativo, desprezou-se os níveis de emissão de GEE do esterco
não recolhido.
Foram desconsiderados também os níveis de CO2 emitidos pelo esterco no curral,
considerando-o próximo ou equivalente às emissões de CO2 que serão realizadas pela queima do
biogás durante o cozimento, também desconsiderados. Sendo assim a emissão de GEE para esterco
de curral é assumida como sendo:
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A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
CO2 Eq
kg
d
kg/m 3
GWP
kg/kg
fcurral
SVdiaria
T
B
kg/dia
Em que:
d - Densidade do metano (kg de CH4/ m3) = 0,714 kg/m3
GWP
- potencial de aquecimento = 21 kg/kg
fcurral - fator de conversão em função das condições de transformação. Para efeito deste
estudo utilizou-se o valor de 0,05 para o ambiente de curral (US-EPA, 2008).
SV - Sólidos Voláteis – para este estudo tomou-se como referência apenas a quantidade
de esterco retirada do curral. A mesma que será adicionada ao biodigestor = 20 kg/dia.
T
- tempo = 365 dias
B - Máxima capacidade de produção de metano em função do tipo de esterco B = [CH4].P,
sendo: [CH4]=Concentração de CH4 no biogás (70%); P = Potencial de produção de biogás do
esterco em m3 de BioGás/kg de esterco = 0,050 segundo Winsock, 2008; e, B = 0,035m3/kg
esterco
Biodigestor – Converte o esterco em biogás, que tem predominância de metano. Para esta
análise o sistema do biodigestor foi subdividido dois subsistemas principais:
i) a câmara interna propicia um ambiente anaeróbico de fermentação; e,
ii) a área externa que representa um ambiente semi-aeróbico de fermentação (figura 1).
Deve-se portanto levar em consideração um percentual de fuga de biogás pela área externa.
Para estimar se as emissões de GEE nos biodigestores foi necessário estabelecer um critério para
definir a eficiência de coleta. As emissões de GEE nos biodigestores podem ser definidas pelas
equações:
CO2 Eq (kg) d
GWP
fambiente
SV
T
B
anaeróbico
CE h
100
ED
(1 - 100
)
Para o ambiente anaeróbico; e,
CO2 Eq (kg) d
GWP
fambiente
SV
T
semi-aeróbico
B
1-
CE h
100
Para
o ambiente semi-aeróbico. Em que:
d - Densidade do metano (kg de CH4/ m3) ou 0,714 kg/m3 por estequiometria
GWP
- potencial de aquecimento = 21 kg/kg
f ambiente anaeróbico - fator de conversão para o interior da câmara do biodigestor. Utilizou-se o
valor de 0,90 (US-EPA, 2008).
f ambiente semi-aeróbico - fator de conversão para o sobrenadante externo do biodigestor.
Utilizou-se o valor de 0,8 (Mangine et alli, 2001).
SV - Sólidos Voláteis – para este estudo tomou-se como referência a quantidade de esterco
adicionada diariamente ao biodigestor = 20 kg/dia (dado coletado no campo)
T - tempo = 365 dias
B - Máxima capacidade de produção de metano em função do tipo de esterco sendo
B = [CH4] . P
CEh - Eficiência de coleta, definida pela relação do volume de câmara interna do
biodigestor e o volume ocupado pelo sobrenadante na parte externa. Devido à geometria variável
do biodigestor a CE varia em função da elevação da caixa de fibra (e) pela pressão interna do gás.
Para o cálculo da CE foram calculados volumes dos “troncos de cone” a partir das dimensões da
caixa d‟ água em cada uma das três secções da caixa (figura 2).
V tronco do cone
(sec ção da caixa )
1
.h R2
3
R.r
r2
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A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
Os volumes internos são descontados
do
volumes (e) decorrentes das diferenças de
nível
entre a câmara de fermentação interna e o
sobrenadante externo geradas pela pressão do
gás.
Essa pressão verificada em condições reais
situa-se
em torno de 10cm de coluna de água. Os
volumes do sobrenadante externo é tomado
pela
diferença entre o volume total do cilindro da
secção
e os trocos de cone acima.
ED - Eficiência de destruição de
metano.
Percentual de metano que efetivamente
queima
Figura 2 – seções geométricas
com a combustão do biogás.
Biomassa da lenha – Tomou-se como utilizadas no cálculo da eficiência de coleta
parâmetro a lenha consumida pela família antes do biodigestor e depois, no caso de ser a lenha
integralmente substituída pelo biogás. Assumiu-se que todo o GEE emitido pela queima de lenha
era CO2. As emissões da queima de lenha são definidas pela seguinte fórmula:
CO2 Eq (kg) Vl dl Fl
Onde:
Vl = Volume de lenha consumida (m3)
dl = densidade da lenha consumida (kg/m3)
Fl = Fator de conversão da lenha em CO2 . Segundo Hingane, 1991, Fl é igual a 0,4 kg de
CO2/kg de lenha.
Levou-se em consideração também a taxa de regeneração da caatinga. Para isso foram
estimados as emissões de GEE em áreas com densidade de lenha 125st/ha e taxa de regeneração
média de 5st/ano. Nestas condições, para uma demanda de 17st/ano, somente acima de 3,5 ha a
retirada de lenha entra em equilíbrio com a regeneração. Abaixo desta área a retirada acontece com
diminuição progressiva de biomassa. As estimativas de emissões calculadas são para 50 anos.
Biomassa via carvão – A biomassa do carvão é oriunda da vegetação. O carvão é em geral
mais calórico que a lenha bruta, é de maior praticidade no manuseio e emite menos fumaça. Por
estas e outras razões muitas famílias preferem o uso do carvão à lenha bruta. Neste estudo
procurou-se simular uma situação em que a família utilizasse o carvão em substituição à lenha.
Neste caso o carvão poderia ser produzido pela própria família ou ser adquirido no mercado.
Em qualquer dos casos as estimativas de emissões de GEE levam em consideração tanto o
processo de produção de carvão quanto a sua queima no cozimento.
kg de CO2 VC . d saco . FP
VC . d saco . FQ
Onde:
VC = Volume de carvão consumido anualmente em sacos
dsaco = Densidade do saco de carvão – 20kg
FP = Fator de produção de CO2Eq por kg de carvão produzido
FQ = Fator de produção de CO2Eq por kg de carvão queimado
Para o calculo de FP considerou-se os seguintes parâmetros:
Reação da pirólise da madeira com sendo (Numazawa, 2006):
T
2 C 42 H 60 O28
madeira
Temp 300 0 C
8C H O
7
4
Carvão Vegetal

Fração Solida
C 13 H 20 O
Alcatrão
2 ,5 C 2 H 4 O2
AcidoAcético
CH 4 O
Me tan ol
CH 2 O2
Formol



Fração Liquida
3CO
Monóxido
de Carbono
5CO
2
Dióxido
de Carbono



Fração Gasosa
26 H 2 O
Fração
Aquosa
ransfor
mação
do
monóxido de carbono em dióxido de carbono:
45 dias
CO
H 2O
CO2
H2
Calor
Sendo:
1st de lenha = 300kg de lenha
1.000kg de lenha produz 250kg de carvão (fração sólida) além de 560kg de fração liquida e
outros 190kg de fração gasosa (Numazawa, 2006).
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A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
Desprezaram-se os teores de metano da fração gasosa considerando que as condições de
produção do carvão na região são pouco eficientes - sob pressão atmosférica e em temperaturas
relativamente baixas.
Nestas condições chega-se um FP = 0,88 kg/kg.
Ressalta-se que segundo Pennise, este mesmo fator situa-se entre 0.77 e 1,63 kg/kg,
atestando o valor calculado, já que foram desprezados o CH4 e o N2O para os processos comumente
utilizados de produção de carvão na região.
Para estimar FQ utilizou-se a seguinte reação de combustão:
Daí
2 C7 H 4 O
15 O2
14 CO2
4 H 2O tem-se que FQ = 2,92
kg/kg
Gás de cozinha (GLP) – O estudo de caso indicou que há uma tendência crescente no uso
de fogões a gás em razão da praticidade e da escassez de lenha. Em uma situação em que todo o
cozimento é feito com gás de cozinha as emissões de GEE podem ser estimadas por:
CO2 Eq
d Bujão . N B . FBujão
Em que:
dBujão = densidade do GLP em cada bujão de
gás – 13K/Bujão
NB = demanda em numero de bujões por ano –
12 Kg/ano
FB = fator de emissão de GEE por GLP –
34
2kg/kg ( )
Resultados e Discussão
As emissões de GEE para cada sistema antes
da instalação do biodigestor estão apresentadas na
Tabela 01. Observa-se que as maiores taxas de emissão
foram devidas a utilização de carvão, uma vez que em geral a sua produção, quando destinada ao
mercado ocorre de forma predatória, com baixíssimas taxas de regeneração. As menores taxas de
emissão de GEE foram devidas ao uso de GLP e da lenha retirada de áreas manejadas. Neste caso,
os resultados são próximos e parcialmente explicado pelo fato de, por um terem sido
desconsideradas as emissões de CO2Eq durante o refino do GLP e por outro o fato de que as
emissões derivadas da utilização de lenha de áreas manejadas terem sido anualizadas a partir dos
totais de 50 anos.
O sistema do curral sempre estará presente em cada uma das situações. Sendo assim, o
total de emissões será sempre igual a soma do sistema curral com cada um dos outros sistemas. È
também possível imaginar que a família combine dois ou mais sistemas no fornecimento de energia
para o cozimento. Contudo as comparações neste artigo ocorrem considerando apenas uma única
fonte combustível a cada vez.
Figura
elevação da caixa
3
-
Estágios
de
Para a situação após a instalação dos biodigestores, todos os sistemas são substituídos. A
única fonte emissora de GEE passa a ser o biodigestor. Os cálculos da Eficiência de Coleta (CE)
34
Dado fornecido por Christiano Pires de Campos, Engenheiro de Meio Ambiente do Centro de P&D Leopoldo
Américo Miguez de Mello da PETROBRAS em 2009
A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
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tomaram como base 4 estágios de elevação da caixa do
biodigestor (Figura 3). A CE será tanto maior quanto
mais elevada estiver a caixa do biodigestor, já que o
volume do sobrenadante exposto ao ar será menor, e a
relação entre o volume interno e o externo se torna maior
(Tabela 02). As emissões totais de biodigestor estão
apresentadas na Tabela 3. Nota-se que o maior valor de
749 kg de CO2 são obtidos com um manejo ineficiente em
que a caixa encontra-se próxima do fundo, expondo um
volume maior de sobrenadante externo.
Por outro lado os níveis baixos de emissão obtidos com máxima pressão do biogás
oferecem o risco de escapamento de metano para a superfície pela borbulha direta por baixo da
caixa. Este tipo de emissão foi desconsiderado do calculo. Assim sendo pode-se comparar a
situação após a instalação do biodigestor com as demais anteriores a sua instalação (Gráfico 01). O
resultado indica que em quaisquer das situações simuladas, a instalação do biodigestor representou
uma economia na emissão de GEE, reduzindo pela metade o nível de emissões do sistemas mais
eficientes verificados. Observa-se que não é necessário operar com o biodigestor na sua máxima
eficiência, com a caixa elevada para se obter economia nas emissões de GEE.
Os resultados alcançados são explicados pelo fato de que com o biodigestor parte do
esterco de curral, grande fonte de emissões de metano, sai do sistema curral e uma vez introduzido
na câmara do biodigestor, passa a produzir metano para ser queimado. No curral, a eficiência de
conversão é menor que no biodigestor. No entanto, como não há coleta e nem destruição do metano
produzido, o nível de emissões é mais alto.
Os resultados indicam também que além da instalação dos biodigestores, recomenda-se
adoção de praticas que possam melhorar a eficiência dos sistemas. Por exemplo a utilização do
esterco de curral como adubo espalhado tenderia a reduzir as emissões no curral. A instalação de
fogões a lenha mais eficientes tenderia a diminuir o uso de lenha tornando-o mais sustentável.
CONCLUSÃO
Grafico 01 - Comparativo de emissões anuais de GEE
É recomendável a instalação
antes de depois da instalação dos biodigestores
de biodigestores em propriedades
Curral + Carvão
rurais em que as condições sejam
Curral + Lenha
semelhantes às simuladas neste
Curral + Lenha (area de 1ha)
estudo.
Curral + Lenha de 3,5 ha
Não é recomendável que os
Curral + Bujões de GLP
biodigestores operem com máxima
Biodigestor no Estágio 1
pressão, próximos ao limite superior
Biodigestor no Estágio 2
de eficiência, já que a economia de
Biodigestor no Estágio 3
emissões de GEE é grande em
Biodigestor no Estágio 4
qualquer dos níveis pesquisados e
que nestes estágios há risco real de
emissões por borbulha do biogás, o
que provocaria uma redução abrupta da sua eficiência.
É recomendável que todo o esterco seja espalhado como adubo para reduzir as emissões de
GEE no ambiente de Curral. Esta recomendação é valida também para o esterco no curral que não é
aproveitado no biodigestor.
Os biodigestores podem ser combinados a outras praticas de manejo nas propriedades
como alternativa para mitigação do aquecimento global e das mudanças climáticas, além de outros
benefícios como o fornecimento de biofertilizante para a lavoura.
4.500
Emissões em Kg de CO2 Eq
4.000
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
-
A Conferência da Terra: Aquecimento global, sociedade e biodiversidade
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