Aproveitamento Sustentável de Biogás

Prof. Dr.-Ing. Werner SternadFraunhofer IGB, Stuttgart, Alemanha

Palestra na FIEMA 201029 de Abril 2010

Pesquisa aplicada na Alemanha - a sociedade Fraunhofer

• Na Alemanha existem várias organizações pela pesquisa.

• A sociedade Max Planck por exemplo é a organização pela pesquisa básica na Alemanha.

• A sociedade Fraunhofer é a organização pela pesquisa • A sociedade Fraunhofer é a organização pela pesquisa aplicada na Alemanha.

• A sociedade Fraunhofer é sem fins lucrativos e adquire o seu financiamento por diversas fontes.

A sociedade Fraunhofer em números

80 instituições de pesquisa, entre essas 59 institutos.

Mais que 40 locais na Alemanha.

17 000 funcionários, a maioria deles são pesquisadores de ciências naturais ou engenheiros.

O local central da sociedade é Munique.

Magdeburg

HalleDortmund

SchmallenbergAachen

EuskirchenJena

Dresden

Itzehoe

Rostock

Bremen

Hanover

Brunswick

DuisburgCottbus

Oberhausen Paderborn

GolmBerlin

Teltow

Potsdam

St. Augustin

Magdeburg

HalleDortmund

SchmallenbergAachen

EuskirchenJena

Dresden

Itzehoe

Rostock

Bremen

Hanover

Brunswick

DuisburgCottbus

Oberhausen Paderborn

GolmBerlin

Teltow

Potsdam

St. Augustin

O local central da sociedade é Munique.

O orçamento em 2007 foi de cerca 1,4 bilhões Euros.

Em Stuttgart existem 5 institutos. Um deles é o Instituto de Tecnologia de Superfícies e de Biotecnologia (IGB).

Euskirchen

Darmstadt

Chemnitz

Kaiserslautern

Freiburg

Würzburg

Nuremberg

Holzkirchen

KarlsruheSaarbrücken

Ilmenau

Erlangen

Oberpfaffenhofen

Pfinztal

St. Ingbert

Munich

Freising

Wertheim

Frankfurt

Garmisch-Efringen-Kirchen

Partenkirchen

Stuttgart

Euskirchen

Darmstadt

Chemnitz

Kaiserslautern

Freiburg

Würzburg

Nuremberg

Holzkirchen

KarlsruheSaarbrücken

Ilmenau

Erlangen

Oberpfaffenhofen

Pfinztal

St. Ingbert

Munich

Freising

Wertheim

Frankfurt

Garmisch-Efringen-Kirchen

Partenkirchen

Stuttgart

Áreas de trabalho da sociedade Fraunhofer

Trânsito e mobilidade

Tecnologias de informações e comunicação

Tecnologias Ambientais

Ciências de saúdeCiências de saúde

Microeletrônicos

Tecnologias de superfícies

Tecnologias de produção

Tecnologias de materiais e componentes

Tecnologias de alimentação etc.

O que é o biogás?

• O biogás é gerado pela digestão anaeróbica das substâncias orgânicaspor microorganismos.

• O gás natural, hoje uma fonte energética muito utilizada, tambémfoi formado pelos mesmos processos microbiológicos, mas há milhõesde anos.

• Os microorganismos que produzem o biogás convivem em uma complexa simbiose.

Diferenças de degradação microbiológica aeróbia e anaeróbica

• Em uma degradação microbiológica aeróbia as substânciasorgânicas são transformadas pela oxidação em H2O e CO2.

• Na degradação microbiológica anaeróbica as substâncias são transformadaspor redução em CH4, H2S e H2, entre outros.

• Em vista disso, a degradação microbiológica aeróbia resulta em produtos oxidados – e por isso sem poder calorífico. Enquanto que a degradação microbiológica anaeróbica resulta em produtos reduzidos com um poder calorífico alto.

As quatro etapas da degradação microbiológica anaeróbica

Crescimento microbiológico na digestão

• A taxa de crescimento microbiológico das espécies é muito diferente.

• O crescimento dos microorganismos hidrolíticos e acidogênicos é rápido (tempo de duplicação: cerca de 0,5 dias).

• O crescimento dos microorganismos acetogênicos e metano-gênicos é muito mais lento (tempo de duplicação: vários dias).

• A população microbiológica estável do processo da digestão precisa • A população microbiológica estável do processo da digestão precisa adaptar-se aos alimentos fornecidos.

• Quando ocorre uma mudança rápida na composição dos alimentosou da temperatura podem surgir problemas, pois as substâncias intermediárias (ácido propiônico, ácido acético) são tóxicos quando em alta concentração.

Influência da freqüência de alimentação

Do que o biogás é gerado?

• As substâncias orgânicas utilizadas pelos microorganismos são por exemplo:

- lixo da cozinha- a parte orgânica do lixo municipal- lodos gerados nas ETEs- resíduos da produção de alimentos- resíduos da produção de alimentos- recursos orgânicos renováveis

Qualidade do Biogás de Acordo com o Substrato

Substância lGás/kgSS Teor de Metano [%]

Poder Calorífico [kWh/m3]

Carbohidratos 700 – 830 50 – 55 5,0 – 5,5

Proteinas 700 – 900 70 – 75 7,0 – 7,5Proteinas 700 – 900 70 – 75 7,0 – 7,5

Gorduras 1.000 – 1.400 68 – 73 6,8 – 7,3

Lixo Orgânico 350 – 500 55 – 68 5,5 – 6,8

MO renovável 500 – 700 50 – 62 5,0 – 6,2

Utilização de biogás

• combustão (utilização térmica)

• “cogeração” (energia elétrica e térmica)

• purificação para metano (gás natural)• purificação para metano (gás natural)

- utilização como combustível veicular

- injeção na rede de gás natural

- operação de células de combustível

Cogeração

• produção de energia térmica e elétrica

• tipicamente são usados motores diesel ou microturbinas

• a eficiência da geração de eletricidade com biogás é de cerca 30 %

• junto com a geração da energia térmica a eficiência total é > 80 %

• a cogeração é utilizada muitas vezes na Europa, principalmente na Alemanha

Motor para cogeração com 37 kWel e 72 kWterm

A iniciativa alemã pela proteção ao clima

No dia 15 de novembro 2007 o Ministério Federal Alemão para o Meio Ambiente,

Proteção da Natureza e Segurança Nuclear (BMU) decidiu fazer uma

iniciativa pela proteção climática.

No âmbito desta iniciativa internacional são apoiados projetos selecionados

em países parceiros que contribuam para a redução das emissões de gases

de efeito estufa ou para uma melhor adaptação às conseqüências das mudanças

climáticas.

O nosso projeto chama-se “Utilização dos gases gerados por uma digestão anaeróbica

em uma ETE municipal para transporte em Americana, SP, Brasil“.

O que faremos neste projeto?

O projeto propõe-se a captar e purificar o biogás da ETE Carioba em Americana, SP, Brasil, para a qualidade de gás natural e usar este biometano como combustível para a frota municipal de Americana.

Parceiros do projeto

Prefeitura Municipal de Americana, Americana, SP, Brasil

Departamento de Água e Esgoto DAE Americana, Americana, SP, Brasil

Empresa Schmack Carbotech; Fornecedor de Plantas, Essen, Alemanha

Fraunhofer IGB, Stuttgart, Alemanha

O tratamento de esgoto produz lodo

• Na Alemanha existem mais de 10.000 Estações de Tratamento de Esgoto (ETE).

• O lodo de esgoto é produzido por um lado na etapa mecânica (sedimentação

primária, lodo primário) e por outro lado no tratamento biológico (sedimentação

secundária, excesso de lodo).

• O volume de lodo produzido per capita depende do processo instalado.• O volume de lodo produzido per capita depende do processo instalado.

• Tipicamente são geradas cerca de 45 g/hab*dia de lodo primário.

• A produção de excesso de lodo por lodos ativados é de cerca 0,8 g/g DBO5 ou

35 g/hab*dia.

• Somando 80 g/hab*dia de lodo de esgoto.

Digestão de lodo

O lodo de esgoto é digerido por várias razões:

• Redução da massa de lodo (reduz custos de depósito).

• Redução de mau-cheiro.

• Melhoria do processo de desaguamento (reduz custos de depósito).

• Produção de energia (biogás) e de fertilizantes (nitrogênio, fósforo).

O lodo de esgoto é uma fonte de energia sustentável. Por kg de lodo misto seco são

produzidos cerca de 400 até 500 l de biogás com um teor de metano de cerca 60 %.

São cerca de 17 até 20 l por habitante por dia.

Na Alemanha a maior parte das ETEs com mais que 50.000 hab. tem uma digestão de

lodo com produção de energia (cogeração).

Diferenças de digestores de lodo tradicionais ou de alta carga

Para digestores na área mesofílica:

• O tempo de residência em digestores de lodo tradicionais é > 18 dias e sua carga

orgânica é de 1 até 3 kg/m3*dia.

• A carga orgânica para processos de alta carga é de até 10 kg/m3*dia e seu tempo

de residência é > 5 dias.

• A digestão de alta carga possui uma eficiência maior e conseqüentemente a massa

de lodo final é menor e a produção de biogás é maior.

Digestor de lodo de alta carga em Heidelberg

Quanto biogás será produzido?

Com 140.000 habitantes a vazão esperada é de 2.400 m3/d.

Com uma porcentagem típica de cerca 60 % de metano esta vazão

corresponde a uma vazão de metano de cerca 1.500 m3/d.

1 m3 de metano corresponde a cerca de um litro de gasolina.

Em vista disto, a ETE Carioba vai produzir cerca de 1.500 l de “gasolina”

por dia.

Na Suécia, Noruega, Holanda e outros países da Europa o biometano é

usado pela frota municipal de muitas cidades.

Emissões de CO2 de alguns combustíveis

O Biogás é considerado o combustível mais limpo disponível atualmente.A vantagem especial é o balanço neutro de CO2 - a combustão de biogás não produz novo gás com efeito de estufa.

Fonte: Hammer&Straub

Mais vantagens da utilização de biometano como combustível

• Redução de emissões de NOx

• Redução de emissões de CO

• Redução de emissões de CO2

• Redução de emissões de hidrocarbonetos

• Redução de emissões de partículas

• Redução de emissões de ruído

• Nunca utilize biogás sem beneficiamento!

Técnicas de beneficiamento de biogás pelo biometano

• Adsorção com alternação de pressão: CO2 é adsorvido na superfície interna do carvão ativado ou zeólitos com uma pressão de até 10 bar.

• Lavagem com água e pressão: CO2 é absorvido em líquidos com pressão atmosférica ou pressão de até 10 bar. Estes líquidos são água, glicóis ou aminas.

• Tecnologias de membranas: Alguns gases não podem passar por membranas, outros podem permear as membranas. Na indústria de gás natural altas pressões são usadas.

• Separação criogênica: O biogás é refrigerado até -80 °C. Metano e dióxido de carbono são retirados como líquidos com alta pureza.

Adsorção com alternação de pressão

Fonte: Carbotech

O contêiner da planta para purificação de biogás

Algumas fotos de Zeeland (Holanda)

Algumas fotos de Zeeland (Holanda)

Posto de biometano em Jönköping

Reservatório de biometano com alta pressão em Jönköping

Ônibus em Oslo

Tanque do Biometano em Ônibus com 1500 l

Fonte: Solaris

Existem diversos fabricantes de carros à GNV

Desenvolvimento de biogás na agricultura na Alemanha

Visão

• O lixo municipal brasileiro possui uma parte orgânica de até 65 %.

• No mês de abril do ano de 2007 haviam 131 projetos de MDL aprovados

no Brasil.

• Cerca de 30 % destes foram projetos de captação do biogás de aterros

ou do biogás de fazendas.

• O objetivo de quase todos destes projetos visou só uma queima do

biogás captado. Que desperdício de energia limpa!

• O beneficiamento deste biogás para biometano e a utilização deste como

combustível veicular ou sua injeção na rede de gás natural será uma

contribuição importante para a proteção climática.

Além disso, esta solução tem vantagens econômicas!

Custos específicos do beneficiamento de biogás

Fonte: Carbotech

Obras para realização do projeto

1 Seleção do processo

2 Determinação dos dados necessários do processo

3 Determinação exata do local da planta

4 Produção dos gases anaeróbicos

5 Projeto conceitual/ básico

6 Projeto executivo

7 Montagem da planta7 Montagem da planta

8 Início da operação da planta

9 Conversão dos veículos

10 Criação da documentação

11 Treinamento dos trabalhadores e transferência de “know-how”

12 Comunicação dos resultados

DAE Americana

• O DAE é responsável pela gestão de água e tratamento de esgoto

de Americana.

• Americana é uma cidade com cerca 207.000 habitantes no estado São Paulo.

• Em Americana cerca 80 % das habitantes são conectados em uma ETE.

• Carioba, a maior das ambas ETEs, tem cerca 140.000 hab.

• Para os lodos gerados dos processos da ETE um digestor anaeróbico

com cerca 3000 m3 foi construído.

• O biogás gerado não é utilizado neste momento.

• Em Americana existem dois postos de gasolina com gás natural.

Utilização de biogás em unidades produtoras de energia total

Tipo de máquina motor a gasolina motor diesel motor diesel microturbina de gáscom ignição raio

Eficiência elétrica [%] 25 - 27 30 - 35 35 - 40 25 - 27

Performance [kWel] < 30 30 - 250 > 250 > 30

Demanda de alto alto baixo baixomanutenção

Custo de investimento baixo média alto alto

Composição de biogás

Componente Flutuação Médiade biogás

Metano 45 - 70 % 55 - 60 %

Dióxido de carbono 25 - 55 % 35 %

Vapor de água 0 - 10 % 3,1 %

Nitrogênio 0,01 - 5 % 1 %

Oxigênio 0,01 - 2 % 0,3 %

Hidrogênio 0 - 1 % < 1 %

Amoníaco 0,01 - 2,5 mg/m3 0,7 mg/m3

Gás sulfídrico 10 - 30.000 mg/m3 500 mg/m3

Lavagem de biogás com alta pressão

Dados de alguns combustíveis

Componentes do biogás outras combustíveis

CH4 CO2 H2S Biogás Gasolina Diesel Gás natural Hidrogênio65 % CH4 L H

Parte volumétrico % 55 - 75 22 - 44 0,2 - 0,6 100 100 100 100 100 100

Poder calórico kWh/m3 10 - 6,3 6,5 8,91) 10,11) 8,8 10,4 2,9

Indice Wobbe kWh/m3n 7 10,9 13,3

Densidade kg/m3 0,72 1,98 1,54 1,2 0,7 - 0,762) 0,82 - 0,842) 0,83 0,79 0,089

1 m3 metano (gás natural) é equivalente de 1 l gasolina.

Densidade kg/m3 0,72 1,98 1,54 1,2 0,7 - 0,762) 0,82 - 0,842) 0,83 0,79 0,089

Temperatura de °C 700 - 270 650 - 750 250 210 640 640 560ignição autogênea

Limite de ignição kg/m3 5 - 15 - 4 - 16 6 - 12 0,6 - 8 0,6 - 6,5 5 - 15 4 - 16 4 - 75gás em ar1) kW/l 2) kg/l

O biodigestor novo da ETE Carioba em construção

Comparação de emissões de ônibus (na Suécia)

g/km CO HC * NOx CO2 Partículas

diesel 0,2 0,4 9,73 1053 0,1diesel 0,2 0,4 9,73 1053 0,1gas natural 0,4 0,6 1,1 524 0,022bio-metano 0,08 0,35 5,44 223 0,015

HC *:hidrocarbonetos