2014FábioFernandesKoch
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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU MESTRADO EM AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE TÉCNICA QUANTO A OBTENÇÃO DE BIOMETANO ATRAVÉS DA PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS EM MEIO AQUOSO: UM ESTUDO DE CASO DO PROJETO CONSÓRCIO VERDE BRASIL Fábio Fernandes Koch Lajeado, junho de 2014
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ABNT NBR 15213:2008
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CENTRO UNIVERSITRIO UNIVATES
PROGRAMA DE PS-GRADUAO STRICTO SENSU
MESTRADO EM AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO
AVALIAO DA VIABILIDADE TCNICA QUANTO A OBTENO DE
BIOMETANO ATRAVS DA PURIFICAO DE BIOGS EM MEIO
AQUOSO: UM ESTUDO DE CASO DO PROJETO CONSRCIO
VERDE BRASIL
Fbio Fernandes Koch
Lajeado, junho de 2014
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Fbio Fernandes Koch
AVALIAO DA VIABILIDADE TCNICA QUANTO A OBTENO DE
BIOMETANO ATRAVS DA PURIFICAO DE BIOGS EM MEIO
AQUOSO: UM ESTUDO DE CASO DO PROJETO CONSRCIO
VERDE BRASIL
Dissertao apresentada ao Programa de
Ps-Graduao em Ambiente e
Desenvolvimento, do Centro Universitrio
UNIVATES, como parte da exigncia para
a obteno do grau de Mestre em
Ambiente e Desenvolvimento, na rea de
concentrao de Tecnologia e Ambiente.
Orientador: Prof. Dr. Odorico Konrad
Lajeado, junho de 2014
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Fbio Fernandes Koch
AVALIAO DA VIABILIDADE TCNICA QUANTO A OBTENO DE
BIOMETANO ATRAVS DA PURIFICAO DE BIOGS EM MEIO
AQUOSO: UM ESTUDO DE CASO DO PROJETO CONSRCIO
VERDE BRASIL
A Banca examinadora abaixo aprova a Dissertao apresentada ao Programa de Ps-
Graduao em Ambiente e Desenvolvimento, do Centro Universitrio UNIVATES,
como parte da exigncia para a obteno do grau de Mestre em Ambiente e
Desenvolvimento, na rea de concentrao de Tecnologia e Ambiente.
Prof. Dr. Odorico Konrad Centro Universitrio UNIVATES Profa. Dra. Eniz Conceio Oliveira Centro Universitrio UNIVATES Profa. Dra. Luclia Hoehme Centro Universitrio UNIVATES
Profa. Dra. Adriana Regina Bohn Kleischmitt Cooperativa ECOCITRUS
Lajeado, junho de 2014
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Para minha esposa
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AGRADECIMENTOS
Em especial ao professor Odorico Konrad, orientador deste trabalho, pela
disponibilidade, contribuies e sabedoria compartilhada.
A minha esposa Denise Petry, por sua dedicao em me apoiar e incentivar em
todos os momento, instruindo, ensinando e me guiando com amor, carinho, confiana
e compreenso em todos os momentos, inclusive os difceis e de ausncia. Voc me
proporcionou todas as oportunidades, e hoje agradeo nossa caminhada que me torna
uma pessoa melhor. Com todo meu amor obrigado por tudo.
Aos meus pais Luiz e Mrcia pelo amor incondicional.
Ao Albari Pedroso, sonhador e idealizador do Consrcio Verde Brasil, por
acreditar, incentivar e concretizar.
A NATUROVOS e ECOCITRUS, pelo apoio incondicional para o
desenvolvimento desta pesquisa, meu muito obrigado.
A UNIVATES, por meio do Programa de Ps-Graduao em Ambiente e
Desenvolvimento, pelo incentivo pesquisa, por meio da Bolsa de Apoio Tcnico.
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Qual a meta que deveramos escolher para nossos esforos? Ser o conhecimento
da verdade ou, em termos mais modestos, a compreenso do mundo experimental,
graas ao pensamento lgico coerente e construtivo? Ser a subordinao de nosso
conhecimento racional a qualquer outro fim, digamos, por exemplo, prtico? O
pensamento por si s no pode resolver este problema. Em compensao, a
vontade determina sua influncia sobre nosso pensamento e nossa reflexo, com a
condio evidentemente de que esteja possuda por inabalvel convico. Vou lhes
fazer uma confidncia muito pessoal: o esforo pelo conhecimento representa uma
dessas metas independentes, sem as quais, para mim, no existe uma afirmao
consciente da vida para o homem que declara pensar. O esforo para o
conhecimento, por sua prpria natureza, nos impele ao mesmo tempo para a
compreenso da extrema variedade da experincia e para o domnio da simplicidade
econmica das hipteses fundamentais. O acordo final desses objetivos, no primeiro
momento de nossas pesquisas, revela um ato de f. Sem esta f, a convico do
valor independente do conhecimento no existiria, coerente e indestrutvel.
Albert Einstein
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RESUMO
A contnua produo de resduos orgnicos e a crescente demanda de energia figuram entre os principais problemas ambientais da sociedade moderna. Neste contexto, fontes renovveis de energia apresentam-se como alternativa aos combustveis fsseis, como o caso do biometano. O presente estudo objetivou a viabilidade tcnica quanto obteno de biometano atravs da purificao de biogs em meio aquoso desenvolvido pelo Consrcio Verde Brasil. Avaliou-se as condies operacionais do sistema de purificao de biogs quanto aos parmetros de temperatura e presso, as propriedades fsico-qumicas como o poder calorfico superior (PSC), ndice de Wobbe, e densidade, bem como a determinao da concentrao de CH4, CO2, O2, N2, H2S, alm de outros gases pesados e compostos de enxofre, bem como o enquadramento do biometano quanto aos parmetros legais vigentes. A avaliao foi realizada atravs o estudo de caso do projeto realizado pelo Consrcio Verde Brasil em quatro momentos distintos de amostragem. As tcnicas de determinao empregadas foram a anlise via cromatografia em fase gasosa e o emprego de analisador porttil junto a unidade experimental. Amostras de biometano expressaram a concentrao de gs metano entre 96,41 a 98,56%, demonstrando que o processo de purificao proporcionou elevao da concentrao em mdia de 18,0%. Destaca-se que o processo de purificao proporcionou reduo de 99,60% da concentrao de CO2, o que impactou diretamente na elevao de 18,16% do PSC, atingindo valores de 36,17 MJ/Nm3, alm de elevar em 28,54% o ndice de Wobbe e de proporcionar a reduo da densidade do biometano. A eficincia do processo de dessulfurizao pode ser evidenciada com base nos resultados que expressaram ausncia de gs sulfdrico e demais compostos de enxofre. Condies ideais do sistema foram obtidas com temperatura da gua de lavagem a 9,0 C e presso de 10,5 bar. Os resultados obtidos demonstram conformidade de enquadramento parcial perante a Portaria N 16 de 2008 da ANP para os parmetros de PSC, ndice de Wobbe, concentrao de metano, gases inertes, gs carbnico e gs sulfdrico. No entanto, a concentrao de oxignio para as amostras analisadas expressaram resultado acima do tolerado, no permitindo o atendimento aos requisitos vigentes.
Palavras-chave: Energia renovvel. Biogs. Biometano.
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ABSTRACT
The continuous production of organic waste and the growing demand for power among the main environmental problems of modern society. In this context, renewable energy sources are presented as an alternative to fossil fuels, as the case of biomethane. The present study aimed to technical feasibility regarding obtaining biomethane through purification of biogas in an aqueous medium developed by the Consortium Green Brazil. We evaluated the operational conditions of biogas purification system for parameters of temperature and pressure, the physic-chemical properties as the gross calorific value (PSC), Wobbe index and density as well as the determination of the concentration of CH4, CO2, O2, N2, H2S, and other gases and heavy sulfur compounds, as well as the framework of biomethane as to the statutory parameters. The evaluation was performed using the case study project conducted by the Consortium Green Brazil in four different sampling times. The techniques were employed to determine the analysis via gas chromatography and the use of a portable analyzer with the experimental unit. Samples of bio-methane expressed in methane concentration between 96.41 to 98.56%, thus demonstrating that the purification process resulted in higher concentration of 18.0% on average. It is noteworthy that the purification process yielded 99.60% reduction of CO2, which impacted directly on the elevation of 18.16% of PSC, reaching values of 36.17 MJ/Nm3, besides increasing 28,54% Wobbe index and provide reduction of the density of bio-methane. The efficiency of the desulphurization process can be detected based on the results expressed absence of hydrogen sulfide and other sulfur compounds. Optimal conditions were obtained with the system of the washing temperature to 9.0 C and 10.5 bar water pressure. The results demonstrate partial compliance framework before the Ordinance N 16 of 2008 of ANP for the parameters of PSC, Wobbe index, methane concentration, inert gases, carbon dioxide and hydrogen sulfide. However, the oxygen concentration for the samples expressed above result tolerated, not allowing the service to existing requirements.
Keywords: Renewable Energy. Biogas. Biomethane.
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
ANFAVEA Associao Nacional dos Fabricantes de Veculos Automotores
ANP Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis
BP British Petroleum
CFC Clorofluorcarbono
CH4 Metano
CO2 Dixido de carbono
CTGAS-ER Centro de Tecnologias do Gs e Energias Renovveis
DENA Agncia Alem de Energia
DEA Dietanolamina
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria
EPE Empresa de Pesquisa Energtica
EY Ernest & Young Auditores Independentes
FGV Fundao Getlio Vargas
Fe2O3 xido de Ferro III
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GEE Gases do efeito estufa
GNV Gs natural veicular
HFC Hidrofluorcarbono
H2O gua
H2S Sulfeto de hidrognio ou cido sulfdrico
IEA Agncia Internacional de Energia
IIASA Instituto Internacional de Anlise de Sistemas Aplicados
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
INSA Instituto Nacional do Semirido
IPCC Painel Intergovernamental sobre Mudana do Clima
K Potssio
MDEA Metildietilamina
MEA Monoetanolamina
N Nitrognio
NIPCC Painel Internacional No Governamental sobre Mudanas do Clima
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
N2O xido de dinitrognio
OECD Organizao para a Cooperao Econmica e Desenvolvimento
OEI Organizao dos Estados Ibero-Americanos
OH Hidrxido
OIE Oferta interna de energia
ONU Organizao das Naes Unidas
P Fsforo
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PIB Produto Interno Bruto
PNUMA Programa das Naes Unidas para o Meio Ambiente
ppb Partes por bilho
PSA Pressure Swing Adsorption
SF6 Hexafluoreto de enxofre
TEA Trietanolamina
tep Tonelada equivalente de petrleo
UNDP Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento
WWF World Wildlife Fund
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Histrico e projeo quanto ao uso da energia por unidade de PIB ......... 26
Figura 2 - Oferta interna de energia com referncia ao ano de 2011 ........................ 29
Figura 3 - Relao habitante por veculo em fim de perodo ..................................... 29
Figura 4 - Composio setorial do consumo de derivados de petrleo ..................... 30
Figura 5 - Fornecimento de energia mundial por fonte com referncia ao ano de 2011
.................................................................................................................................. 31
Figura 6 - Monitoramento anual de GEE na atmosfera ............................................. 34
Figura 7 - Monitoramento da concentrao de CH4 na atmosfera ............................ 37
Figura 8 - Total de postos de trabalho no setor de energia, sob um cenrio de
investimento verde para o perodo de 1990 a 2050 .................................................. 40
Figura 9 - Alojamento automatizado de aves para a produo de ovos .................... 42
Figura 10 - Biodigestores anaerbios em operao com resduos de origem vegetal e
animal localizados na alemanha. .............................................................................. 44
Figura 11 - Modelos de biodigestores confeccionados com manta plstica .............. 45
Figura 12 - Diferentes etapas durante a biodigesto anaerbia ................................ 46
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Figura 13 Diagrama do processo de purificao de biogs por lavagem com gua
.................................................................................................................................. 51
Figura 14 Planta de purificao de biogs por lavagem com gua ........................ 52
Figura 15 Principio de purificao de biogs atravs da tcnica de PSA ............... 53
Figura 16 Planta de purificao de biogs atravs da tcnica de MEA .................. 54
Figura 17 Planta piloto de purificao de biogs atravs de membranas .............. 55
Figura 18 Usina de compostagem de resduos agroindustriais .............................. 58
Figura 19 Distintos resduos agroindustriais empregados para a gerao de biogs
.................................................................................................................................. 59
Figura 20 - Unidade experimental de produo de biogs ........................................ 59
Figura 21 Sistema experimental de purificao de biogs por lavagem com gua 60
Figura 22 Instrumentos de controle do sistema de purificao .............................. 61
Figura 23 Ponto de amostragem do biometano ..................................................... 61
Figura 24 - Bolsas plsticas com amostras de biogs .............................................. 62
Figura 25 - Procedimento de coleta de amostras de biogs e biometano ................. 62
Figura 26 Cromatgrafo para determinao de gases por cromatografia gasosa .. 63
Figura 27 Equipamento de determinao de gases constituintes utilizado pelo
laboratrio da unidade experimental ......................................................................... 64
Figura 28 Correlao entre o teor de metano no biogs e o nmero de oxidao . 72
Figura 29 Processo de purificao do biogs por lavagem de gua em estudo .... 76
Figura 30 Correlao da concentrao de metano em amostras de biogs e de
biometano em um mesmo evento ............................................................................. 78
Figura 31 Interface lquido-gs proposta por Whitman e Lewis.............................. 79
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Figura 32 Interferncia da oscilao de presso quanto a concentrao de CH4 em
amostras de biometano a temperatura constante ..................................................... 80
Figura 33 Solubilidade do CH4 em meio aquoso .................................................... 81
Figura 34 Reduo da concentrao de ch4 em decorrncia da reduo de presso
do sistema em estudo ............................................................................................... 82
Figura 35 Solubilidade do dixido de carbono em gua ......................................... 83
Figura 36 Correlao entre a temperatura da gua de lavagem e a concentrao de
gs metano................................................................................................................ 84
Figura 37 Solubilidade do CO2 sob distintas condies de presso e temperatura85
Figura 38 Catalisador para remoo de H2S no processo em estudo .................... 89
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Relao da oferta interna de energia com o PIB ....................................... 27
Tabela 2 - Projees da demanda total de energia eltrica e do PIB ........................ 28
Tabela 3 - Matriz energtica brasileira de energia primria por fonte ....................... 31
Tabela 4 Resultados da composio do biogs obtidos atravs da leitura no
equipamento Oriun Plus ............................................................................................ 66
Tabela 5 Composio usual do biogs originrio de sistemas de digesto anaerbia
de resduos agroindustriais ....................................................................................... 67
Tabela 6 Resultados da composio do biogs obtidos atravs da leitura em
cromatografia em fase gasosa junto ao CTGAS-ER ................................................. 68
Tabela 7 Acompanhamento da remoo de H2S junto ao sistema de dessulfurizao
atravs do analisador Oriun Plus .............................................................................. 69
Tabela 8 Referncias fsico-qumicas para biogs ................................................. 70
Tabela 9 Caractersticas fsico-qumicas do biogs ............................................... 71
Tabela 10 Composio usual do substrato de alimentao do sistema de biodigesto
anaerbia .................................................................................................................. 73
Tabela 11 Resultados da composio do biometano obtidos atravs da leitura no
equipamento Oriun Plus ............................................................................................ 77
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Tabela 12 Solubilidade dos gases constituintes do biogs em gua ..................... 83
Tabela 13 Resultados da composio do biometano obtidos por cromatografia
gasosa junto ao CTGAS-ER...................................................................................... 86
Tabela 14 Caractersticas fsico-qumicas do biometano ....................................... 88
Tabela 15 - Parmetros regulatrios para biometano em pases da Comunidade
Europeia .................................................................................................................... 91
Tabela 16 - Especificao do gs natural segundo a portaria ANP N 16 de 2008 para
a regio Centro-Oeste, Sudeste e Sul ....................................................................... 92
Tabela 17 Enquadramento dos resultados quanto a legislao vigente ................ 93
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SUMRIO
1 INTRODUO ....................................................................................................... 18
1.1 Objetivo geral ................................................................................................... 21
1.2 Objetivos especficos ....................................................................................... 22
2 REFERENCIAL TERICO ..................................................................................... 23
2.1 Energia para uma sociedade de consumo ....................................................... 23
2.2 Panorama atual e demandas energticas futuras ............................................ 25
2.3 Gerao de energia e alteraes climticas .................................................... 32
2.4 O desenvolvimento de uma economia verde ................................................... 39
2.5 Biodigesto anaerbia de resduos agroindustriais.......................................... 41
2.6 Fundamentos da digesto anaerbia ............................................................... 45
2.6.1 Hidrlise ........................................................................................................ 46
2.6.2 Acidognese ................................................................................................. 47
2.6.3 Acetognese ................................................................................................. 47
2.6.4 Metanognese .............................................................................................. 47
2.7 Biometano: obteno e aplicaes .................................................................. 48
2.7.1 Dessulfurizao ............................................................................................. 49
2.7.2 Secagem ....................................................................................................... 51
2.7.3 Lavagem por gua ........................................................................................ 51
2.7.4 Adsoro com modulao de presso (PSA) ............................................... 52
2.7.5 Lavagem qumica .......................................................................................... 54
2.7.6 Processo de membranas .............................................................................. 55
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2.7.7 Separao criognica ................................................................................... 56
3 PROCEDIMENTOS METODOLGICOS............................................................... 57
3.1 Descrio do sistema de produo de biogs ................................................. 57
3.2 Descrio do sistema de produo de biometano ........................................... 60
3.3 Amostragem ..................................................................................................... 61
3.4 Determinao dos constituintes e das propriedades fsico-qumicas do biogs e
biometano .............................................................................................................. 63
3.5 Avaliao do enquadramento legal do biometano ........................................... 64
4 RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................................. 65
4.1 Caracterizao dos constituintes e das propriedades fsico-qumicas do biogs
............................................................................................................................... 65
4.2 Avaliao do processo de purificao de biogs quanto as condies
operacionais de presso e temperatura ................................................................. 75
4.3 Caracterizao dos constituintes e das propriedades fsico-qumicas do
biometano .............................................................................................................. 86
4.4 Enquadramento do biometano quanto aos parmetros legais previstos pela
ANP ........................................................................................................................ 90
5 CONCLUSO ........................................................................................................ 94
6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................................... 97
REFERNCIAS ......................................................................................................... 98
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1 INTRODUO
Energia um insumo essencial para os seres vivos, pois seus metabolismos
dependem do fornecimento regular obtido atravs da ingesto de alimentos ricos em
carbono. Pode-se dizer que a necessidade mais bsica dos seres vivos a busca de
energia para manter seus corpos em funcionamento (ORNELLAS, 2006).
Esse aspecto, de atendimento da necessidade fisiolgica, predominou na
histria do homem at ele descobrir que poderia controlar formas de energia que lhe
seriam teis, fazendo uso do fogo como um recurso trmico e da domesticao dos
animais para obteno de energia mecnica. O emprego de animais e de madeira, e
o aproveitamento hidrulico e elico perduraram por milnios, porm novas fontes
energticas foram introduzidas de maneira a atender o vertiginoso processo de
industrializao, como o carvo mineral (DIAMOND, 2009).
De maneira intensificada, nos ltimos 250 anos a humanidade modificou sua
matriz energtica atravs da insero de combustveis fsseis, possibilitando atender
a demanda energtica para os processos de industrializao e urbanizao, e ao
mesmo tempo sustentar o consumo de bens e servios. A inveno das mquinas
eltricas e a introduo dos veculos automotores possibilitaram a formao da
moderna sociedade de consumo, caracterizada por uma demanda energtica nunca
vista na histria da humanidade (GOLDEMBERG et al., 2007).
A sociedade de consumo caracteriza-se, antes de tudo, pelo desejo da
aquisio, do excedente, e da insaciabilidade, onde uma necessidade preliminar
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satisfeita gera quase que automaticamente outra necessidade, em um ciclo contnuo
que no se esgota. Essa lgica surge a partir das mudanas estruturais desenvolvidas
na Europa Ocidental, especialmente com a Revoluo Industrial, quando o universo
do consumo caracterizou-se como elemento de mediao de novas relaes no plano
cultural das sociedades modernas, dando origem sociedade capitalista que
modificou a vida das pessoas atravs da substituio do recurso humano pela
mquina, ampliando as desigualdades sociais e a degradao ambiental (SANTOS,
2005; SIMIONI, 2006; BAUMAN, 2004).
Consumir tornou-se um ato que baliza as relaes sociais e faz parte do
movimento da economia. No entanto, o padro consumista da sociedade
contempornea tem conduzido os indivduos a um consumo desnecessrio e
excessivo, favorecendo a explorao dos recursos naturais e o aumento da
desigualdade social. A problemtica assume grande complexidade na medida em que
se reconhece que o consumo cumpre funes sociais, porm nos padres atuais se
mostra insustentvel, tanto social quanto ambientalmente (VIEGAS, 2010;
RETONDAR, 2008)
Para Leff (2001), a gesto ambiental do desenvolvimento sustentvel exige
novos conhecimentos interdisciplinares e um planejamento intersetorial do
desenvolvimento, que convide os cidados a participarem na produo de suas
condies de existncia em seus projetos de vida. O autor busca uma maior
integrao da democracia participativa descentralizao da economia e a
reapropriao da natureza como um sistema ambiental produtivo contra os
fundamentos da racionalidade ambiental, causadas pela crise ambiental.
Na lgica do consumo, o crescimento da demanda energtica mundial
apresenta-se como um reflexo dos benefcios proporcionados pelo desenvolvimento
tecnolgico e econmico. Segundo estudo da companhia British Petroleum (BP)
(2012, p. 32), o consumo mundial de energia deve crescer a 1,6% ao ano ou a 0,7%
ao ano per capita, totalizando um crescimento de 39% entre 2010 e 2030, mantendo
75% de sua origem derivada do petrleo, gs e carvo.
Dados da Organizao das Naes Unidas (ONU) (2012) demonstram que
75% da energia gerada em todo o mundo esto sendo consumida por apenas 25% da
populao mundial, principalmente nos pases industrializados. O mesmo estudo
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indica que cerca de 1,3 bilho de pessoas no possuem acesso eletricidade e que
2,7 bilhes dependem de madeira, carvo, carvo vegetal ou resduo animal para
cozinhar e aquecer, constituindo-se uma grande barreira para a erradicao da
pobreza. Nos pases industrializados, o problema de energia est relacionado ao
desperdcio e poluio, atravs do uso ineficiente e do emprego de uma matriz
energtica baseada em combustveis fsseis, com elevadas taxas de emisses de
gases de efeito estufa (GEE).
Neste contexto, as alteraes climticas e a independncia energtica tm sido
os grandes motores de toda uma mudana no panorama internacional em relao s
fontes de energia. A eficincia energtica, as fontes de energia renovveis assim
como as tecnologias energticas inovadoras apresentam-se como elementos
fundamentais de uma poltica energtica sustentvel (CASTRO, 2012).
Tal qual a crescente demanda energtica, o aumento contnuo de resduos
orgnicos constitui-se um passivo gerado pela sociedade de consumo, tornando-se
um dos problemas mais preocupantes dos ltimos anos. Novos hbitos alimentares
da populao e o modo de vida esto entre os fatores determinantes quanto ao
aumento excessivo de resduos (WRIGHT, 2004).
Para o desenvolvimento sustentvel tanto de pases desenvolvidos quanto em
desenvolvimento, torna-se necessrio a busca e incentivo de tecnologias que utilizem
fontes renovveis de energia, possibilitando com isso a criao de fontes energticas
de suprimentos descentralizadas. A gesto sustentvel, bem como a preveno e
reduo do descarte de resduos tornaram-se grandes prioridades polticas. Nesta
lgica, a produo de biogs atravs da digesto anaerbia de esterco animal e outros
resduos orgnicos apresenta-se como alternativa para saneamento rural atravs da
reduo da carga orgnica poluente, obtendo-se como subprodutos biogs e
biofertilizante (PNUMA, 2011; KONRAD et al., 2009).
A digesto anaerbia um processo microbiolgico de decomposio da
matria orgnica na ausncia de oxignio, comum a muitos ambientes naturais e
largamente aplicada para a produo de biogs. O biogs caracteriza-se por ser um
gs combustvel que apresenta em sua composio prioritariamente metano e dixido
de carbono, alm de pequenas quantidades de outros gases contaminantes, como o
gs sulfdrico (DEUBLEIN et al., 2011, p. 85).
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A utilizao do biogs como combustvel contempla vrias formas de uso,
desde motores a exploso interna, aquecimento de caldeiras e fornos, turbinas a gs
ou em substituio ao gs natural veicular. No entanto, para utilizao do biogs em
veculos ou injeo junto rede de gs natural, torna-se necessrio a remoo de
dixido de carbono (CO2), sulfeto de hidrognio (H2S) e gua (H2O), atravs de
tcnicas de purificao que contemplem a obteno de biometano com concentrao
de metano (CH4) superior a 96% e demais parmetros em conformidade com a
legislao. Quando comprimido, o biometano apresenta alto poder combustvel,
demonstrando comportamento igual ao do gs natural veicular (GNV), o que permite
seu uso em veculos de carga ou automveis, quando adaptados com as mesmas
tecnologias de converso de motores a GNV (SEADI et al., 2008; ESPERANCINI et
al., 2007; IEA, 2006).
O conhecimento da concentrao dos gases constituintes do biogs possibilita
o entendimento de seu potencial energtico e fornece dados para o dimensionamento
dos processos de purificao e obteno de biometano. Da mesma forma, a
caracterizao qumica do biometano, possibilita a avaliao quanto ao atendimento
aos requisitos legais para sua compresso e utilizao como GNV, em veculos
movidos a gs natural, ou para sua injeo junto rede de gs natural, contribuindo
com a construo de uma matriz energtica descentralizada e renovvel.
1.1 Objetivo geral
Verificar a viabilidade tcnica quanto obteno de biometano atravs da
purificao de biogs em meio aquoso, especificamente quanto aos gases
constituintes e aos parmetros do processo que possibilitem uma anlise crtica
perante a legislao vigente.
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1.2 Objetivos especficos
Interpretar a composio qumica e propriedades fsico-qumicas do
biogs e do biometano quanto concentrao dos gases constituintes no sistema de
purificao em estudo;
Avaliar as condies operacionais de presso e temperatura do sistema
de purificao do biogs;
Apresentar o enquadramento do biometano quanto aos parmetros
legais previstos pela ANP.
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2 REFERENCIAL TERICO
Neste captulo sero abordadas as relaes socioculturais fomentadas por uma
sociedade de consumo, suas demandas e implicaes ambientais, bem como o
desenvolvimento de uma economia verde como alternativa para a diversificao da
matriz energtica atravs da insero de fontes renovveis como o biometano.
2.1 Energia para uma sociedade de consumo
A energia, nas suas mais diversas formas indispensvel sobrevivncia da
espcie humana. Mais do que sobreviver, o homem procurou sempre evoluir,
descobrindo fontes e formas alternativas de adaptao ao ambiente em que vive e de
atendimento s suas necessidades. Desta forma, a exausto, escassez ou
inconvenincia de um dado recurso foi compensada pelo surgimento de outro
(ORNELLAS, 2006; ANEEL, 2002).
A histria da humanidade confunde-se com a histria da energia, uma vez que
a primeira forma de energia utilizada pelo homem foi a do seu prprio corpo, atravs
do trabalho e da luta pela sobrevivncia. Posteriormente, com o uso fogo h
aproximadamente 52 mil anos e da explorao agrcola e da pecuria h cerca de
doze mil anos, o homem passa a fazer uso da energia oriunda de animais e vegetais.
O recurso energtico estaria vinculado aos alimentos atravs da transformao dos
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recursos naturais, em fontes alimentares por diversas sociedades (ALMEIDA, 2011;
GOLDEMBERG et al., 2007).
Segundo Diamond (2006) foi somente nos ltimos 11.000 anos que alguns
povos localizados na regio do ento Crescente Frtil, regio compreendendo os
atuais territrios de Israel, Jordnia e Lbano, passaram a se dedicar a produo de
alimentos atravs da domesticao de animais selvagens e do cultivo de cereais. Do
perodo neoltico at as civilizaes antigas junto aos vales aluviais do Tigre, Nilo e
Eufrates, os recursos energticos caracterizavam-se atravs da produo estratgica
de alimentos, calculada em bens de consumo. Neste contexto, a produo e o
consumo de bens impulsionaram todas as fontes energticas conhecidas. Das
grandes navegaes aos moinhos, do carvo ao vapor, dos derivados de petrleo a
eletricidade.
De aspecto fundamental para o bem-estar humano, incluindo o acesso gua,
a agricultura, sade, educao, gerao de empregos, e principalmente com relao
s alteraes climticas e no que diz respeito sustentabilidade ambiental, a
disponibilidade energtica influencia profundamente a vida das pessoas. Considerada
indispensvel vida no apenas por fazer parte do prprio metabolismo dos seres
vivos, proporcionou o desenvolvimento da cultura das sociedades modernas
baseadas no consumo (UNDP, 2009; SIMIONI, 2006).
Uma das consequncias, que o consumo de bens essenciais ou suprfluos
passou a ser determinante na vida dos indivduos, tal qual o condicionamento a
produo, caracterizando sua existncia e condio social. Capra (2002) explana que
na nova economia, o principal objetivo o aumento de produtividade, a qual no
necessariamente considera a funcionalidade, custos ou riscos socioambientais.
A sociedade de consumo, por ser uma sociedade de abundncia, seria uma
espcie de triunfo da modernidade, relacionada diretamente com a concepo de
liberdade tpica da era moderna e do acmulo de bens. O fato de a energia estar
caracterizada como uma mercadoria torna sua lgica de produo, oferta e demanda
atrelada a uma racionalidade de produo sempre crescente, fruto da economia
dependente de energia (GOLDEMBERG et al., 2003).
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Tal dependncia energtica tornou-se mais evidente a partir do sculo XVIII,
com o surgimento de novas relaes sociais e econmicas. A Revoluo Industrial se
caracterizou por profundas mudanas na forma de se produzir e consumir energia. A
escassez crescente da lenha e as vantagens do carvo para produo em grande
escala, permitiam atender as exigncias da nascente economia capitalista. Desta
forma, novas opes energticas proporcionaram um maior consumo, assim como,
cada vez mais se exigia maior produo de energia e, que aos poucos superava a
matriz energtica anterior (HOBSBAWM, 2003).
Durante o incio da Revoluo Industrial, Karl Marx analisa o processo como
sendo algo orientado para uma nova lgica de produo, j que o aumento de
determinada mquina e do nmero de instrumentos fabricados exigiria um motor mais
potente. As fontes tradicionais de energia, tal como humana, animal, hidrulica e
elica j no atendiam a necessidade industrial. O carvo mineral era algo controlvel,
contnuo e estocvel, e proporcionara uma revoluo para o processo produtivo em
larga escala (MARX, 1987).
Baseado no consumo, o crescimento industrial do sculo XX foi induzido por
meio da lgica desenvolvimentista. O avano tecnolgico e a melhoria de estatsticas
econmicas resultariam em melhorias de condio de vida da populao. As
consequncias de tal processo, contudo, no eram enfatizadas ou eram vistas como
decorrncia natural do desenvolvimento econmico. Estes significados foram
criticados por Amartya Sen (2000) no sentido de se procurar dar outras prioridades a
um processo de desenvolvimento, j que o mesmo deveria estar ligado a processos
de realizao pessoal e no a macropolticas econmicas e seus diversos ndices,
neste caso, a um dos indicadores mais utilizados para comparaes internacionais no
mbito da energia, a intensidade energtica, que relaciona o consumo energtico e o
Produto Interno Bruto (PIB) (COHEN, 2005).
2.2 Panorama atual e demandas energticas futuras
A crescente demanda de energia global devido principalmente pelo aumento
da populao, de suas aspiraes e necessidades geradas pelo desenvolvimento
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econmico, constitui-se em um dos maiores desafios enfrentados pela sociedade
atual (CATELIN, 2005).
De forma a avaliar tais demandas, o emprego de tendncias do consumo de
energia e sua relao com o PIB fornecem uma base para projetar o consumo de
energia e seus impactos ambientais relacionados ao desenvolvimento econmico
(ONU, 2012).
Conforme demonstrado na figura 1, a energia necessria para produzir uma
unidade de PIB est reduzindo na maioria dos pases. Tal condio, tambm pode ser
visualizada na tabela 1, com relao ao cenrio brasileiro entre os anos de 2005 a
2011.
Os pases hoje considerados como desenvolvidos sempre tiveram uma
indstria notadamente forte, com destaque ao setor siderrgico por sua evidente
importncia enquanto fornecedor de insumos de base para o desenvolvimento. Por
ser o setor siderrgico um grande consumidor de energia, a relao entre PIB e
consumo energtico, desde o incio de seus processos de industrializao, sempre foi
bastante evidente. Tratava-se da simples equao de quanto maior o consumo de
energia do pas, maior o seu PIB (OEI, 2012).
Figura 1 - Histrico e projeo quanto ao uso da energia por unidade de PIB
Fonte: Adaptado pelo autor com base em BP (2012).
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No entanto a relao entre o PIB dos pases e seu consumo de energia vem
sofrendo uma profunda transformao desde a dcada de 70, momento da primeira
grande crise do petrleo, e mais notadamente a partir da dcada de 90. O que se
notava era que quanto maior o PIB, ou seja, quanto mais desenvolvido o pas, maior
tambm era o seu consumo de energia. Tal fato pode ser compreendido quando
lembramos que um PIB elevado significa um mercado suficientemente forte para
garantir um consumo igualmente forte e um setor industrial capaz de, por seu lado,
garantir a transformao de bens primrios em bens de consumo, atravs de um
crculo virtuoso que proporciona o crescimento econmico e do PIB (OEI, 2012).
Esta relao, contudo, tornou-se hoje muito mais complexa. Embora a relao
entre consumo energtico e PIB nos pases desenvolvidos continue mantendo o
mesmo perfil, os pases mais industrializados do mundo vm lutando para reduzir o
seu consumo interno de energia, sem que isso signifique que sua riqueza interna
esteja em queda ou que seu nvel de industrializao esteja regredindo. No entanto,
enquanto os pases desenvolvidos possuem meios de buscar a eficincia de
processos produtivos, os pases em desenvolvimento necessitam continuar seu
processo de crescimento, o que requer uso crescente de fontes no renovveis
(ALVES, 2012).
Tabela 1- Relao da oferta interna de energia com o PIB
Unidade 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Oferta interna de energia (OIE) 106 tep 218,7 226,3 237,8 252,6 243,9 268,8 272,4
PIB 109 US$ 1.810,5 1.882,1 1.996,8 2.100,0 2.093,1 2.250,8 2.312,3
OIE/PIB tep/108
US$ 0,121 0,120 0,119 0,120 0,117 0,119 0,118
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2011).
Estudo realizado pela Empresa de Pesquisa Energtica (EPE), conforme
demonstrado na tabela 2, indica que no caso do Brasil com a economia crescendo
mais que a demanda eltrica para os prximos anos, existir uma queda da
intensidade eltrica, ou seja, a quantidade de energia consumida para produzir um
real de PIB (kWh/R$) ser reduzida, sinalizando um aumento da eficincia no uso da
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eletricidade. No entanto, existir uma grande tarefa para sustentar o crescimento
mdio do PIB de 4% ao ano, conforme prev estudo realizado pela Fundao Getlio
Vargas (FGV). Em 2030, o consumo energtico no Pas est estimado em 371,8
milhes de tep, com um crescimento anual de 3,3%. Comparado ao consumo de
energia total de 272,4 milhes de tep para o ano de 2011, dever existir uma oferta
adicional de 73,3% (EPE, 2012).
Tabela 2 - Projees da demanda total de energia eltrica e do PIB
Ano Consumo (mil GWh)
PIB (109 R$ 2010)
Intensidade (kWh/R$ 2010)
2011 472 3.804 0,124
2016 593 4.717 0,126
2021 736 6.021 0,122
Perodo Consumo
(% ao ano) PIB
(% ao ano) Elasticidade
2011-2016 4,7 4,4 1,06
2016-2021 4,4 5,0 0,88
2011-2021 4,5 4,7 0,96
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2011).
No cenrio mundial, as projees indicam que at 2030 o petrleo ainda ser
a principal fonte energtica, tal como indicado na figura 2 com referncia ao ano de
2011.
No entanto esta fonte energtica perder lentamente espao para o gs natural
e o carvo mineral, impulsionado principalmente pelos investimentos em explorao
e desenvolvimento de novas jazidas. Embora o gs natural seja muito menos
poluente, ainda existem problemas logsticos importantes a serem resolvidos, dado
que o seu transporte das reas de extrao at os mercados consumidores ainda
exige gastos considerveis (Ernest & Young, 2011; OEI, 2012).
O desenvolvimento econmico ancorado ao crescimento da produo industrial
e da ampliao da capacidade de consumo da populao ter o setor de transportes
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como principal consumidor dos derivados de petrleo, em especial o leo diesel e o
gs natural veicular (EPE, 2012).
Figura 2 - Oferta interna de energia com referncia ao ano de 2011
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2012).
Conforme dados apresentados em 2012 pela Associao Nacional dos
Fabricantes de Veculos Automotores (ANFAVEA), o aumento de renda da populao
brasileira no horizonte decenal implicar em efeitos sobre o consumo de bens de
consumo, notadamente bens durveis e imveis. De importncia fundamental para as
projees de demanda de energia a frota de veculos, cuja evoluo apresentada
atravs da relao de veculos por habitante na figura 3.
Figura 3 - Relao habitante por veculo em fim de perodo
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2011).
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A ampliao da frota de veculos prevista para o perodo de 2012 a 2021 tende
a manter o setor de transportes como maior consumidor de derivados de petrleo,
quando comparado com os demais setores econmicos, tal qual demostrado na figura
4 (EPE, 2011).
Figura 4 - Composio setorial do consumo de derivados de petrleo
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2012).
Segundo o relatrio Global Energy Assessment, Toward a Sustainable Future,
do IIASA (2012), as condies atuais refletem as previses estabelecidas no sculo
XX, que previa um crescimento do consumo energtico mdio em 2% ao ano com
elevada participao de combustveis fsseis.
Conforme demonstrado na figura 5 para o ano base de 2011, a participao de
origem de combustveis fsseis correspondeu a 78%. O mesmo estudo tambm indica
que o crescimento da populao e o desenvolvimento econmico seriam a impulso
para a demanda energtica, com elevada dependncia de combustveis slidos, tal
qual lenha, resduos agrcolas e carvo vegetal para a coco de alimentos em pases
em desenvolvimento (IIASA, 2012).
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Figura 5 - Fornecimento de energia mundial por fonte com referncia ao ano de
2011
Fonte: Adaptado pelo autor com base em IIASA (2012).
No cenrio brasileiro, 54,5% da oferta interna de energia so derivadas de
fontes no renovveis, contra 45,5% de fontes renovveis de energia. A elevada
participao de fontes renovveis junto a matriz nacional decorre do emprego da
hidroeletricidade, da lenha e dos derivados da cana de acar, conforme demonstrado
na tabela 3.
Tabela 3 - Matriz energtica brasileira de energia primria por fonte
Fontes (%) 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Petrleo e derivados 40,3 42,0 42,1 40,6 39,7 42,1 42,1 42,4
Gs natural 8,9 8,8 8,3 8,1 9,0 8,7 9,0 9,3
Carvo mineral e coque 1,1 1,2 1,0 1,0 1,2 0,9 0,8 0,8
Urnio 1,9 0,7 1,1 1,6 1,7 1,4 0,7 1,6
Energia hidrulica 14,5 14,5 14,2 14,4 13,4 14,0 13,7 14,3
Lenha e carvo vegetal 14,8 14,1 13,5 12,8 12,4 10,3 10,3 10,3
Derivados da cana 15,4 15,5 16,6 18,1 19,0 18,7 19,3 16,9
Outras renovveis 3,1 3,2 3,2 3,4 3,6 3,9 4,1 4,4
Fonte: Adaptado pelo autor com base em EPE (2012).
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A modificao do atual modelo de desenvolvimento econmico, ancorado por
dcadas junto fonte primria de energia, apresenta-se como um grande desafio
tanto para o setor pblico quanto para o privado, no apenas devido escassez de
petrleo, mas tambm devido aos problemas geopolticos, ambientais e sociais.
Neste contexto, o desenvolvimento de alternativas energticas renovveis
tende a contribuir para o fortalecimento de uma economia de baixo carbono, atravs
de processos produtivos e solues tecnolgicas que resultem em menor impacto
sobre o clima do planeta, com destaque para a busca de eficincia energtica,
reduo de emisses e gesto em sustentabilidade (SO PAULO, 2012).
2.3 Gerao de energia e alteraes climticas
Independente quanto origem, seja antrpica ou natural, as alteraes
climticas so uma realidade e constituem a mais sria ameaa ao bem-estar humano
e aos ecossistemas naturais no sculo presente (INSA, 2011).
Ainda que as mudanas de temperatura, padres de precipitao e frequncia
na ocorrncia de eventos extremos no tenham sido homogneas em todos os pontos
do planeta, constata-se que, durante o sculo XX, a temperatura mdia na superfcie
aumentou 0,7 C com maior expresso nas ltimas trs dcadas. Onze dos doze anos
entre 1995 e 2006 se destacam como os anos mais quentes no registro de
temperatura global de superfcie desde 1850 (IPCC, 2007; INPE, 2010).
Contudo, muitos especialistas consideram que tal fenmeno tem como causa
principal a prpria natureza, como por exemplo, as grandes erupes vulcnicas, ou
ainda, devido a mudanas naturais de mltiplas causas que ocorrem dentro da escala
de tempo da evoluo do planeta, como o aquecimento crescente a partir da ltima
era glacial, a cerca de 20 mil anos (SIMIONI, 2006; NIPCC, 20009).
Reconhece-se que o aumento de temperatura global, exigir tanto de pases
desenvolvidos como pases em desenvolvimento, aes de forma a minimizar e a
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mitigar os efeitos adversos das mudanas climticas. No entanto, a mitigao de GEE
tambm deve ser visto no contexto social incluindo a erradicao da pobreza
especialmente nos pases em desenvolvimento (UNDP (A), 2011).
Mesmo com as redues mais ambiciosas de emisses dos gases de efeito
estufa (GEE), alteraes climticas sero inevitveis e uma gama de provveis
alteraes esperada a partir de mudanas nos padres de precipitao, incluindo
aumento do nmero de eventos climticos extremos, como secas severas, ondas de
calor e ciclones tropicais (UNDP (B), 2011).
A gerao de energia a partir de combustveis fsseis em termos mundiais
apontada como uma das principais causas das alteraes do clima no planeta. O
fenmeno mais discutido o efeito estufa, isto , o aquecimento do planeta devido ao
excesso dos GEE como o dixido de carbono (CO2), metano (CH4), o vapor dgua,
oznio (O3) xido nitroso (N20), clorofluorcarbonos (CFC), hidrofluorcarbonos (HFC),
perfluorcarbonos (PFC), e hexafluoreto de enxofre (SF6) junto atmosfera,
proporcionando o aquecimento global, como pode ser visualizado na figura 6 para os
gases monitorados pelo NOAA (2012), e detalhadamente na figura 7 quanto ao
monitoramento de CH4.
Destes, os trs mais poluentes so o CO2, CH4 e N2O, que juntos respondem
atualmente por 98% das emisses de GEE. Os outros gases, CFC, HFC, PFC e SF6
representam menos de 2%, mas suas emisses totais esto crescendo (OECD, 2012).
Em 2009, as emisses de CO2 provenientes de fontes fsseis foram originrias
em 43% pelo uso do carvo mineral, seguido respectivamente de 37% e 20% pelo
uso de leo e gs. Tal condio ocorreu principalmente devido ao desenvolvimento
do bloco econmico composto pelo Brasil, Rssia, ndia, China e frica do Sul
(BRIICS), que em grande parte dependente do uso intensivo de carvo para gerao
de energia (OECD, 2012).
Somente no Rio Grande do Sul em 2007, foram consumidos 8,88 milhes de
toneladas equivalentes de petrleo de energia proveniente da queima de combustveis
derivados de petrleo, gs natural, carvo mineral e da biomassa, que juntos geraram
28,68 milhes de toneladas de CO2. Observa-se, no entanto, que 62,65% do dixido
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de carbono gerado no Estado so provenientes do uso de combustveis no
renovveis (FEE, 2011).
Segundo a ONU (2011), a explorao de petrleo proporciona todos os anos,
a queima de bilhes de dlares em gs natural, atravs da prtica de queima do gs
em plataformas e poos de petrleo em produo. As quantidades seriam
equivalentes a 75% do volume anual exportado pela Rssia, ou a 25% do consumo
dos Estados Unidos, proporcionando um impacto global estimado em cerca de 400
milhes de toneladas de CO2, em emisses anuais.
Figura 6 - Monitoramento anual de GEE na atmosfera
Fonte: Adaptado pelo autor com base em NOAA (2012).
As tendncias atuais em matria de energia e emisses de CO2 vo
diretamente de encontro s advertncias indicadas do IPCC, que recomenda a
reduo de emisses globais de CO2 at 2050, em pelo menos 50% em relao aos
nveis do ano 2000, com o objetivo de se conseguir limitar o aumento global da
temperatura no longo prazo entre 2,0 C e 2,4 C. No entanto, estudos recentes
sugerem que as alteraes climticas esto a ocorrer a um ritmo ainda mais rpido
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do que previsto anteriormente, e que mesmo o objetivo de 50% em 2050 poder
revelar-se insuficiente (IEA, 2010).
A partir do ingresso do CO2 na atmosfera, as trocas gasosas com os elementos
da biosfera terrestre e com a superfcie dos oceanos so bastante aceleradas,
proporcionando sua distribuio em centenas de anos junto a todos os reservatrios
ativos, incluindo a biosfera terrestre e o fundo dos oceanos. Na atmosfera, o CO2
um gs quimicamente inerte, no entanto as trocas de CO2 entre a atmosfera e a
biosfera terrestre ocorrem principalmente atravs da fotossntese e a respirao por
plantas (HOLMEN, 2000).
Estes dois processos podem ser resumidos segundo as equaes de
fotossntese (1) e de respirao (2).
H2O + CO2 + h (CH2O)n + O2 (1)
(CH2O)n + O2 CO2 + H2O + Energia (2)
No caso da fixao do CO2 pelos oceanos, os mecanismos utilizados ocorrem
atravs da dissoluo do gs na gua e por fotossntese. A dissoluo do CO2 pode
ser expressa pelas seguintes equaes:
CO2(g) CO2(aq) (3)
CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq) (4)
H2CO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + HCO3 -(aq) (5)
HCO3 -(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CO32- (aq) (6)
A espcie predominante ir depender do pH da gua e das respectivas
constantes de equilbrio das reaes. De modo aproximado, a 15C e valores de pH
abaixo de 5,0, prevalece o CO2(aq), enquanto para pH acima de 10,5 prevalece o
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CO32- (aq). Para pH prximos a 8,0 praticamente s existe o on HCO3-. No caso de
oceanos, em que o pH da gua est prximo a 8,0, a espcie solvel predominante
ser, portanto, o on bicarbonato (HCO3-) (BARROS, 2011).
O ciclo de carbono inorgnico no oceano um dos mais importantes equilbrios
qumicos marinhos e responsvel pelo controle do pH na gua do mar. Dada a
natureza alcalina da superfcie ocenica, a gua do mar capaz de absorver grandes
quantidades de CO2 da atmosfera atravs de processos inorgnicos. No entanto, em
decorrncia do aumento do dixido de carbono atmosfrico, estima-se que entre 1752
e 2004 o pH da superfcie ocenica tenha diminudo cerca 0,075, de 8,179 para 8,104.
Embora essa diferena parea pequena pelo tipo de escala utilizada, representa um
aumento de cerca de 30% na concentrao de ons H+, responsveis direto pela
acidificao, constituindo-se um importante desequilbrio dos oceanos (MARTINS et
al., 2012).
Junto a atmosfera, o aumento da concentrao de gs carbnico proporciona
maior absoro de frao da radiao infravermelha emitida pela superfcie terrestre,
isto , o retorno da radiao proveniente do Sol em direo ao espao, no
comprimento de onda do infravermelho, absorvida e emitida de volta a superfcie,
dificultando seu direcionamento para o espao e proporcionando um aumento da
temperatura com reflexo no aquecimento da superfcie terrestre (NOAA, 2012)
Neste sentido, o dixido de carbono o gs mais associado ao aquecimento
global, pela grande absoro da radiao infravermelha. As molculas de CO2
presentes no ar, absorvem praticamente metade da radiao infravermelha trmica
na regio com comprimento de onda entre 14 e 16 m. Somente o CO2 chega a ser
responsvel por quase 50% do calor retido na atmosfera da Terra, da o motivo de
tanta preocupao na conteno da concentrao desse gs (INPE, 2010).
No caso do gs metano, considerado o segundo maior contribuinte para o
aquecimento global, sua participao colabora para mais de um tero do aquecimento
global. Sendo at 25 vezes mais poluente do que o CO2 e persistente por um perodo
aproximado de 100 anos, o metano emitido a partir de fontes antropognicas e
naturais, no entanto, mais de 50% das emisses globais de metano so oriundas de
atividades humanas, como a produo de combustveis fsseis, criao de animais,
cultivo de arroz, queima de biomassa e disposio inadequada de resduos slidos
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urbanos. As fontes naturais de metano incluem zonas hmidas, hidratos de gs e
oceanos (NOAA, 2012).
Figura 7 - Monitoramento da concentrao de CH4 na atmosfera
Fonte: Adaptado pelo autor com base em NOAA (2012).
O metano e o monxido de carbono (CO) podem ser considerados os
sumidouros majoritrios do radical OH, que por sua vez responsvel pela remoo
de diversas espcies qumicas da atmosfera terrestre. Desta forma, um aumento na
concentrao de um desses dois gases poderia reduzir a concentrao do radical OH
e, portanto, a capacidade de oxidao em toda a atmosfera. Outra participao
importante do metano est no ciclo de produo do oznio em rea queimadas
(ALVALA, 2005).
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Alm de sua participao na qumica da atmosfera, o metano apresenta uma
banda de absoro para a radiao infravermelha na regio entre 7 e 8 m do espectro
eletromagntico, regio onde a atmosfera apresenta uma maior transparncia
radiao terrestre. Gases que possuem bandas de absoro nessa regio do espectro
podem alterar o balano de radiao no sistema Terra atmosfera, j que parte da
energia absorvida devolvida para a superfcie, contribuindo para um aquecimento
secundrio adicional (NOAA, 2012).
As alteraes climticas representam um risco para a sociedade, visto a
ameaam aos elementos bsicos da vida, como a produo de alimentos, o acesso
gua, e o uso do solo. A inadequada ateno pode ter consequncias sociais
significativas para o bem estar humano, prejudicar o crescimento econmico e
aumentar o risco de uma escala abrupta para o clima (OECD, 2012).
Sem um ambiente seguro, o desenvolvimento humano impossvel. Desta
forma, tais mudanas apresentam o potencial de reverter o desenvolvimento
conquistado, impossibilitando a reduo da pobreza, da mortalidade infantil, e a
sustentabilidade ambiental (UNDP (B), 2011).
O atual sistema de gerao de energia baseada em combustveis fsseis est
na raiz da mudana climtica. Estima-se que os custos em termos de adaptao
decorrentes das alteraes climticas atinjam de US$ 50 a 170 bilhes at 2030,
metade dos quais devero ser arcados pelos pases em desenvolvimento (PNUMA,
2011).
Esse desafio presume responsabilidades diferenciadas, mas comuns a todas
as naes do planeta. O Brasil, devido a sua importncia econmica e sua liderana
na gerao de energia proveniente de fontes renovveis, possui um papel de
protagonista na construo de uma economia de baixa intensidade de carbono. Desse
modo, e em consonncia com a Poltica Nacional sobre Mudana do Clima, os
principais caminhos para reduo das emisses de GEE no setor energtico brasileiro
sem sacrificar o desenvolvimento econmico, so a ampliao do uso de fontes
renovveis de energia e a conservao ou uso de forma mais eficiente dos recursos
energticos (BRASIL (B), 2009).
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2.4 O desenvolvimento de uma economia verde
Vrias crises simultneas iniciaram-se ou aceleraram-se durante a ltima
dcada. Crises climticas, de biodiversidade, de combustveis, alimentos e gua, e
mais recentemente no sistema financeiro e econmico como um todo. O choque com
o preo de combustveis em 2008, e o aumento nos preos dos alimentos e de
mercadorias, indicam fraquezas estruturais e riscos que continuam mal resolvidos. O
aumento na demanda energtica, previsto pela Agncia Internacional de Energia,
sugere uma dependncia contnua do petrleo e outros combustveis fsseis, alm de
custos de energia mais elevados, ao passo que a economia mundial sofre para
recuperar-se e crescer (PNUMA, 2011).
Com relao garantia do fornecimento de alimentos, no h um entendimento
sobre a natureza do problema, nem solues baseadas numa colaborao mundial
sobre como alimentar uma populao de nove bilhes de pessoas em 2050.
Coletivamente, essas crises tm um impacto muito grande na nossa habilidade de
promover a prosperidade e a reduo da pobreza extrema (ONU, 2012).
Apesar de essas crises terem vrias causas, todas elas partilham do uso
inadequado de capital. Durante as duas ltimas dcadas, muito capital foi empregado
em pobreza, combustveis fsseis e bens financeiros. No entanto pouco foi investido
em energias renovveis, eficincia energtica, transporte pblico, agricultura
sustentvel, proteo dos ecossistemas e da biodiversidade, e conservao da terra
e das guas. De fato, a maioria das estratgias de crescimento e desenvolvimento
econmico incentivou um rpido acmulo de capital fsico, financeiro e humano, mas
custa do esgotamento excessivo e por meio da degradao do capital natural (WWF,
2011).
A primeira constatao importante a necessidade de mudana do nosso
modelo de macroeconomia, para uma economia verde, condio atual transitria e
que deve ser fomentada atravs de investimentos. Conforme dados do PNUMA
(2011), a alocao de 1% do PIB mundial para o aumento da eficincia energtica e
para a expanso do uso de energia renovvel, tende a fornecer energia competitiva e
a gerao de empregos.
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Neste contexto, cerca de 2,3 milhes de pessoas nos ltimos anos encontraram
novos empregos no setor de energia renovvel, como pode ser visualizado na figura
8, apesar de estes fornecem apenas dois por cento da energia primria global (UNEP,
2009).
A partir de 2002 at 2009, o total de investimentos em energias renovveis
apresentou crescimento anual mdio de 33%, orientado por pases que no so
membros da OCDE, cuja participao de investimento mundial em renovveis cresceu
de 29% em 2007 para 40% em 2008, com o Brasil, China e ndia sendo responsveis
pela sua maioria. Destaca-se tambm a transformao da matriz energtica com
elevados subsdios para fontes renovveis desenvolvidos na Espanha, Itlia,
Alemanha e EUA, com vistas promoo de energia elica, fotovoltaica e da
biomassa (PNUMA, 2011).
Figura 8 - Total de postos de trabalho no setor de energia, sob um cenrio de
investimento verde para o perodo de 1990 a 2050
Fonte: Adaptado pelo autor com base em PNUMA (2011).
Exemplo de poltica pblica so as aes desenvolvidas na Alemanha, atravs
da Agncia Alem de Energia (DENA) e do programa Green Gas Grid, onde cerca de
8800 plantas de biogs, incluindo biogs de aterros sanitrios, agrcolas e plantas de
tratamento de efluentes sanitrios encontravam-se em operao at o final de 2012,
contribuindo com a gerao de 21,57 mil MWh/ano, alm de 92 unidades operacionais
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de purificao do biogs e obteno de biometano para injeo na rede de gs natural
e para uso em veculos movidos a GNV (DENA, 2013).
No caso do Brasil, que dispe de recursos significativos para a explorao de
fontes energticas renovveis, como a elica, biomassa, e fotovoltaica, incluindo
grandes reservas de silcio, a ampliao da capacidade de produo de energia a
partir dessas fontes requer a realizao de pesquisas e de investimentos para o
desenvolvimento do parque tecnolgico existente. O investimento nessa ampliao
beneficiaria o pas com a reduo dos custos de produo, geraria conhecimento e
empregos, alm de contribuir para a expanso da oferta de energia, como no caso do
uso de biomassa e de resduos agroindustriais para a gerao de energia (WWF,
2012).
2.5 Biodigesto anaerbia de resduos agroindustriais
O Brasil possui, hoje, uma forte indstria produtora de protena animal, graas
aos investimentos realizados em organizao, tecnologia e desenvolvimento de
produtos, ao longo de pelo menos seis dcadas, por cooperativas e indstrias
chamadas de integradoras (EMBRAPA, 2004).
Em termos gerais, o agronegcio est baseado na agregao de valor pela
transformao de gros, como milho e soja, em carne, leite e ovos, por meio de um
cenrio nacional de forte crescimento na produo de protena animal, tanto devido
ao aumento da renda disponvel para a populao brasileira, quanto em outros pases
em processo de crescimento econmico (ITAIPU, 2009).
Neste contexto, o avano tecnolgico no setor produtivo agropecurio,
proporcionado pela demanda de fontes de protena para alimentao humana, tem
ocasionado o rpido desenvolvimento do setor agroindustrial. Atravs da substituio
de instalaes convencionais por sistemas de criao automatizados, o alojamento
de animais tem se intensificado e consequentemente a gerao de resduos. Tal
situao pode ser visualizada na figura 9. O agronegcio passou a buscar nas
instalaes, as possibilidades de melhoria do seu desempenho, reduo de
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mortalidade e dos custos de produo, como uma forma de manter a competitividade,
atravs da automatizao completa dos seus processos de produo (AUGUSTO,
2007).
Nesta contextualizao, a modernizao do setor agropecurio vem
acentuando a sua participao nos impactos provocados ao meio ambiente. A
disposio final inadequada de dejetos animais tem se apresentado como uma etapa
problemtica, resultado da falta de planejamento por parte dos empreendimentos
agropecurios quanto gesto dos resduos gerados (ITAIPU, 2009).
Figura 9 - Alojamento automatizado de aves para a produo de ovos
Fonte: O autor (2013).
Entre os diversos resduos agroindustriais, a gesto dos dejetos oriundos da
avicultura de postura merece ateno, j que as prticas adotadas para disposio do
material no so adequadas, e na maioria das situaes este resduo disposto em
solo agrcola sem prvio tratamento (FIGUEROA, 2008).
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Entre os diferentes tipos de esterco animal, o de aves poedeiras um dos mais
ricos em nutrientes, pois contm as dejees lquidas e slidas misturadas, de
galinhas alimentadas com rao contendo alto teor de protena. A soma dos teores de
nitrognio (N), fsforo (P) e potssio (K) do esterco dessas aves duas a trs vezes
maiores que o encontrado nas dejees de mamferos (KIEHL, 1985).
De acordo com Steil (2001) os dejetos de poedeiras so constitudos por
substratos complexos contendo matria orgnica particulada e dissolvida como
polissacardeos, lipdios, protenas, cidos graxos volteis, elevado nmero de
componentes inorgnicos, bem como alta concentrao de micro-organismos
patognicos, todos de interesse na questo ambiental.
A disposio inadequada dos dejetos de aves proporciona toxicidade a animais
e plantas, contaminaes de solos, guas e mananciais, tornando necessrio o
emprego de processos que minimizem estes impactos. A biodigesto anaerbia
exemplo de processo que pode ser aplicado como forma de tratamento dos dejetos,
obtendo-se biogs e biofertilizante, alm de significativa reduo em emisso de GEE
(EMBRAPA, 2000).
O biogs caracteriza-se, por ser uma mistura gasosa, composta primariamente
de metano e dixido de carbono, com pequenas quantidades de cido sulfdrico e
amnia, alm de traos de hidrognio, nitrognio, monxido de carbono, carboidratos
saturados e oxignio. A concentrao de sua composio oscila de acordo com alguns
fatores, tais como a composio dos substratos de alimentao, a temperatura no
interior dos biodigestores, caractersticas dos dejetos, relao carbono e nitrognio da
biomassa, faixa de pH e alcalinidade do meio. Destaca-se tambm o tempo de
reteno hidrulica, intensidade dos sistemas de agitao dos reatores, bem como a
presena de compostos inibidores como fatores relevantes do processo de
biodigesto (BORJA, 2011; DEUBLIN et al., 2011).
O biogs, produzido a partir da digesto anaerbia da matria orgnica
presente em efluentes, resduos domsticos, industriais e agropecurios, representa
uma fonte alternativa e renovvel de energia cada vez mais utilizada em todo o mundo.
Assim como outros mercados de energia renovveis, a introduo desta tecnologia se
deu nos ltimos 15 anos de maneira mais significativa atravs do fomento de governos
europeus, principalmente na Alemanha por meio da estruturao da cadeia de
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fornecedores e da criao de linhas de crditos para implantao de biodigestores
industriais (DEUBLIN et al., 2011).
Biodigestores so estruturas hermeticamente fechadas que funcionam como
reatores alimentados com biomassa, degradando materiais orgnicos complexos pela
digesto anaerbica, ou seja, sem a presena de oxignio, produzindo compostos
simples como metano e dixido de carbono, alm do lodo digerido ou biofertilizante,
tal como demonstrado na figura 10 (SEADI et al., 2008).
China e a ndia por razes histricas so os pases precursores no
desenvolvimento de biodigestores. A China, em busca de fertilizantes para produzir
alimentos para populao, desenvolveu um tipo de biodigestor mais simples e
econmico, enquanto a ndia, procurando suprir o dficit energtico do pas,
desenvolveu um tipo de biodigestor mais sofisticado para uma melhor eficincia na
gerao do biogs (COLDEBELLA, 2006).
Figura 10 - Biodigestores anaerbios em operao com resduos de origem vegetal e
animal localizados na Alemanha.
Fonte: O autor (2013).
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No Brasil, a adoo de mantas plsticas para a construo de biodigestores
nos ltimos anos, os chamados biodigestores canadenses, reduziu significativamente
seu custo, sendo a razo para o aumento de interesse nesta tecnologia para
tratamento de dejetos, como pode ser visualizado na figura 11 (OLIVEIRA, 2006).
Figura 11 - Modelos de biodigestores confeccionados com manta plstica
Fonte: ITAIPU (2009).
2.6 Fundamentos da digesto anaerbia
A digesto anaerbia pode ser considerada como um processo que ocorre em
um ecossistema onde diversos grupos de microrganismo trabalham interativamente
na converso da matria orgnica complexa em metano, gs carbnico, agua, gs
sulfdrico e amnia, alm de novas clulas bacterianas (DEUBLEIN et al., 2011).
O processo de converso da matria orgnica e formao do biogs, pode ser
subdividido em quatro fases: hidrlise, acidognese, acetognese e metanognese,
que devem estar perfeitamente coordenados entre si para que todo o processo se
realize adequadamente (BORJA, 2011).
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2.6.1 Hidrlise
O primeiro estgio a hidrlise, em que compostos orgnicos complexos so
decompostos em substancias menos complexas.
Uma vez que as bactrias no so capazes de assimilar a matria orgnica
particulada, a primeira fase no processo de degradao anaerbia consiste na
hidrlise de materiais particulados complexos em materiais dissolvidos mais simples
os quais podem atravessar as paredes celulares das bactrias fermentativas. Esta
converso de materiais particulados em materiais dissolvidos obtida atravs da ao
de enzimas excretadas pelas bactrias fermentativas hidrolticas. Durante a hidrlise,
polmeros tais como hidratos de carbono, lipdios, cidos nucleicos e protenas, so
convertidos em glicose, glicerol, purinas e piridinas, conforme demonstrado na figura
12 (CARVALHO, 2010; COATS et al., 1996; DEUBLEIN et al., 2011, p. 337).
Figura 12 - Diferentes etapas durante a biodigesto anaerbia
Fonte: Adaptado pelo autor com base em Cantrel et al. (2008).
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2.6.2 Acidognese
Os produtos solveis oriundos da hidrlise so metabolizados no interior das
clulas das bactrias fermentativas em diversos compostos mais simples, os quais
so ento excretados pelas clulas. Os compostos produzidos incluem cidos graxos
volteis, lcoois, cido ltico, gs carbnico, hidrognio, amnia e sulfeto de
hidrognio, alm de novas clulas bacterianas. Como os cidos graxos volteis so o
principal produto dos organismos fermentativos, estes so usualmente designados
de bactrias fermentativas acidognicas (BORJA, 2011; CARVALHO, 2010; COATES
et al., 1996; DEUBLEIN et al., 2011, p. 287).
2.6.3 Acetognese
J durante a acetognese, bactrias so responsveis pela oxidao dos
produtos em substratos apropriados para as bactrias metanognicas. Dessa forma,
as bactrias acetognicas fazem parte de um grupo metablico intermedirio que
produz substrato para as metanognicas. Os produtos gerados pelas bactrias
acetognicas so o hidrognio, o dixido de carbono e o acetato. De todos os produtos
metabolizados pelas bactrias acidognicas, apenas o hidrognio e o acetato podem
ser utilizados diretamente pelas metanognicas (DEUBLEIN et al., 2011).
2.6.4 Metanognese
A etapa final no processo de degradao anaerbia de compostos orgnicos
em metano e dixido de carbono efetuada pelas bactrias metanognicas. As
metanognicas utilizam somente um limitado nmero de substratos, compreendendo
o cido actico, hidrognio, dixido de carbono, cido frmico, metanol, metilaminas
e monxido de carbono. Em funo de sua afinidade por substrato e magnitude de
produo de metano, as metanognicas so divididas em dois grupos principais,
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sendo um que forma metano a partir de cido actico ou metanol, e o segundo que
produz metano a partir de hidrognio e dixido de carbono (CARVALHO, 2010;
COATES et al., 1996; DEUBLEIN et al., 2011).
O biogs resultante consiste em aproximadamente de 50 a 75% de metano, e
de 25 a 45% de dixido de carbono, alm de vapor d'gua, amnia, oxignio,
nitrognio, hidrognio e sulfeto de hidrognio em volumes menores. Entre as
aplicaes, destaca-se o emprego em caldeiras, turbinas e motores, os quais
acoplados a geradores eltricos so capazes de produzir energia eltrica. O metano,
tambm pode ser utilizado como matria-prima para a sntese de uma srie de
compostos orgnicos, com destaque junto ao processo de obteno de metanol (IEA,
2006; BRUIJSTENS et al., 2008, p. 5).
2.7 Biometano: obteno e aplicaes
Juntamente com a opo de gerao de energia eltrica, uma das alternativas
o emprego do biogs como substituto do gs natural e como combustvel veicular.
Este gs uma energia renovvel, podendo ser transportado e aproveitado nas
infraestruturas e pelos consumidores existentes de gs natural, da mesma forma que
pode ser comprimido e utilizado como GNV em veculos movidos a gs natural
disponveis no mercado (SEADI et al., 2008).
No entanto, para ser utilizado como combustvel veicular ou injetado a rede de
gs natural, torna-se necessrio realizar previamente a purificao do biogs atravs
da remoo de CO2 e de outros contaminantes. Entre os gases contaminantes
presentes no biogs, destacam-se os compostos de enxofre como sulfetos e tiis,
alm de compostos oxidados como o sulfato e sulfito. O principal composto de enxofre
presente no biogs o H2S, que apresenta reatividade com a maioria dos metais,
sendo sua remoo essencial para prevenir a corroso em compressores de gs,
tanques de armazenamento e nos motores. Da mesma forma, altas concentraes de
amnia so um problema para motores a gs, admitindo-se normalmente at 100
mg/Nm3 (DEUBLEIN et al., 2011; IEA, 2010; HULLU, 2008; GOULDING et al., 2013).
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Compostos halogenados como tetracloreto de carbono, clorobenzeno,
clorofrmio e trifluorometano, assim como siloxanos, apresentam-se de forma
significativa em biogs oriundo de aterros sanitrios, como resultado da volatilizao
direta de componentes dos resduos slidos. J o gs carbnico deve ser removido
com o intuito de aumentar o poder calorfico do gs, alm de ampliar a capacidade de
estocagem quando comprimido (ZHAO et al., 2010; IEA,2010).
Destaca-se que o vapor contido no biogs se combina com o sulfeto de
hidrognio originando cido sulfrico, o qual reduz a vida til de motores e
equipamentos, bem como a eficincia dos estgios de remoo de gs carbnico
(FNR, 2010).
Com o propsito de se obter biometano a partir do biogs, uma variedade de
processos que possuem aplicao em indstrias petroqumicas para a remoo de
CO2 do gs natural passaram a ser empregados em plantas de purificao de biogs,
entre os quais a dessulfurizao, a absoro fsica, absoro qumica, adsoro sobre
uma superfcie slida, separao por membranas, separao criognica e a
converso qumica (SEADI et al., 2008; GOULDING et al., 2013).
2.7.1 Dessulfurizao
Existem diferentes processos para realizar a remoo do gs sulfdrico que
podem ser classificados em biolgicos, qumicos e fsicos. O processo ou a
combinao de processos a ser adotada so determinados atravs da destinao de
aplicao subsequente do biogs.
A dessulfurizao biolgica frequentemente realizada no biodigestor na
presena de oxignio quando a bactria Sulfobacter oxydans converte o sulfeto de
hidrognio em enxofre elementar, que em seguida removido do reator por meio do
biofertilizante. A converso exige nutrientes que existem no biodigestor em
quantidades suficientes. Como as bactrias so onipresentes, no precisam ser
adicionadas. O oxignio necessrio disponibilizado pela injeo de ar, por exemplo
por meio de uma bomba de aqurio ou outro tipo de mini compressor, sendo o ar
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introduzido no biodigestor. A qualidade obtida em geral suficiente para a queima do
gs dessulfurizado em usinas de cogerao, que toleram at 200 mg/Nm3 de gs
sulfdrico no biogs. Destaca-se que este tipo de tratamento no adequado quando
se visa obter biometano com qualidade equivalente ao gs natural, uma vez que as
altas concentraes de nitrognio e oxignio dificilmente podem ser eliminadas, o que
piora as propriedades comburentes do gs (UTTAMOTE, 2011).
Ao contrrio da tcnica de dessulfurizao interna, o lavador de gs constitui o
nico processo biolgico para o tratamento visando a qualidade de gs natural. O
sistema de dois estgios composto de uma coluna de lavagem recheada, onde a
absoro do H2S ocorre por meio de soluo de soda custica diluda, e a
regenerao da soluo de lavagem com oxignio do ar. Por meio da regenerao
separada, evita-se a injeo de ar no biogs. Embora essa tecnologia permita a
eliminao de grandes cargas de enxofre ela s indicada para usinas com grandes
vazes de gs ou elevadas cargas de H2S em funo da alta complexidade do
equipamento exigido (SAUX et al., 2010).
Com referncia aos processos qumicos, a dessulfurizao qumica realizada
no biodigestor e permite a obteno de concentraes de H2S entre 100 e 150
mg/Nm3. Atravs da adio ao biodigestor de compostos de ferro, o enxofre ligado
quimicamente ao substrato de fermentao, o que permite suprimir a liberao de
sulfeto de hidrognio. Para esta operao podem ser utilizadas substncias qumicas
como cloreto frrico, cloreto ferroso e sulfato de ferro, com a adio recomendada de
33g de Fe por m3 de substrato em usinas de biodigesto que apresentam com caga
inferior a 500 mg/Nm3 de H2S (FNR, 2010).
Comumente tambm so empregadas tcnicas de adsoro em carvo
ativado, que utilizada o mtodo da oxidao cataltica do sulfeto de hidrognio na
superfcie do carvo ativado. possvel impregnar o carvo ativado para aumentar a
velocidade da reao e melhorar a capacidade de carga, sendo usual o emprego do
iodeto de potssio e o carbonato de potssio. O carvo ativado impregnado, portanto,
no indicado para a utilizao com gases isentos de ar, j que a dessulfurizao
adequada exige a presena de vapor e oxignio. No entanto, o carvo at
