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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Instalação e testes de uma unidade de demonstração de geração de energia elétrica a partir de biogás de tratamento de esgoto
Profª. Drª. Suani Teixeira CoelhoI; M.Sc. Sílvia Maria Stortini González VelázquezII; M.Sc. Osvaldo Stella MartinsIII; Eng. David Freire da CostaIV; Fernando BasagliaV; Eng. Antonio Carlos K. BacicVI
IUSP - Universidade de São Paulo. IEE - Instituto de Eletrotécnica e Energia. CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 - São Paulo - SP - Brasil Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649 suani@iee.usp.br
IIUSP - Universidade de São Paulo. IEE - Instituto de Eletrotécnica e Energia. CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 - São Paulo - SP - Brasil Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649sgvelaz@iee.usp.br
IIIUSP - Universidade de São Paulo. IEE - Instituto de Eletrotécnica e Energia. CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 - São Paulo - SP - Brasil Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649 omartins@iee.usp.br
IVUSP - Universidade de São Paulo. IEE - Instituto de Eletrotécnica e Energia. CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 - São Paulo - SP - Brasil Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649 davidcosta@iee.usp.br
VUSP - Universidade de São Paulo. IEE - Instituto de Eletrotécnica e Energia. CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 - São Paulo - SP - Brasil Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649 basaglia@iee.usp.br
VISABESP - Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo. Rua José Rafaelli, 284, Guarapiranga - CEP 04763-280 - São Paulo / SP - Brasil acbacic@sabesp.com.br
RESUMO
Este artigo apresenta considerações voltadas à geração de eletricidade com microturbinas de 30 kW (ISO), utilizando biogás gerado no processo de tratamento de esgoto da Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) da SABESP (Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo), em Barueri, no Brasil, local de realização dos estudos. Este projeto, pioneiro na América Latina, realizado em conjunto com o Biomass Users Network do Brasil - BUN (proponente), em parceria com o Centro Nacional de Referência em Biomassa - CENBIO (executor), com o apoio da FINEP / CT-ENERG (financiador), mediante o CONVÊNIO Nº: 23.01.0653.00, referente ao Projeto ENERG-BIOG - "Instalação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Geração de Energia Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto". Essa planta trabalha com o processo de digestão anaeróbica, que tem como principais produtos o biogás (composto principalmente de metano) e o lodo. Atualmente, parte do metano produzido é queimado em uma caldeira, o restante é queimado em "flares" para reduzir os impactos das emissões dos gases. Uma alternativa para a queima em "flare" é a conversão do biogás em eletricidade por meio da queima em motores e microturbinas. Assim, a contribuição desse artigo está na apresentação dos resultados do projeto, relacionados ao aproveitamento do biogás de esgoto para a geração de energia, bem como de maiores detalhes sobre os sistemas de purificação e compressão do biogás e de geração de eletricidade (microturbina a biogás), utilizados na instalação.
Palavras-chave: Biogás; Microturbina; Geração; Energia Elétrica.
ABSTRACT
This article intend to discuss the electricity generation with 30 kW (ISO) microturbines, using biogas generated by sewage treatment process at SABESP (Basic Sanitation Company of São Paulo State), located at Barueri, Brazil. This project, pioneer in Latin America, is being accomplished together with BUN - Biomass Users Network of Brazil (proponent), by CENBIO - Brazilian Reference Center on Biomass (executer), with patronage of FINEP / CT-ENERG (financial backer), by means of COVENAT No: 23.01.0653.00, regarding to ENERG-BIOG Project - "Installation and Tests of an Electric Energy Generation Demonstration Unit from Biogas Sewage Treatment". This plant operates with anaerobic digestion process, which has as mainly products biogas (composed mainly by methane) and sludge. Currently, part of the methane produced is burnt in a boiler used to increase digestors efficiency process. The rest of the methane is burnt in flare to reduce the impacts caused by gases emissions. An alternative to flare it is the biogas conversion into electricity through engines and microturbines. Thus, this article presents the project results, related with the exploitation of sewer biogas for power generation, as well as bigger details about purification, compression and electricity generation systems (biogas microturbine), used in the facility.
1. Introdução
A deficiência no tratamento do efluente líquido residencial, o esgoto doméstico, atinge todas as áreas do País. Mesmo no Estado de São Paulo, responsável por aproximadamente 40% do PIB do país, o esgoto é coletado nas áreas urbanas e na maioria dos casos, não recebe nenhum tipo de tratamento antes de ser despejado nos cursos de água.
Atualmente, além das questões de saúde da população, outro aspecto que envolve o setor de saneamento básico consiste na sua interface entre o uso racional da água e de energia elétrica, fator evidenciado pela crise energética recentemente atravessada pelo país.
A importância do processo de tratamento de esgoto é que o biogás produzido pode ser usado para a cogeração de energia, não apenas contribuindo para a redução dos impactos ambientais, mas também para o aumento da eficiência do processo de saneamento básico no país.
O projeto ENERG-BIOG visa analisar o uso do biogás do tratamento de esgoto para gerar eletricidade no Brasil.
Neste contexto, este artigo aborda o aproveitamento energético de um resíduo derivado do processo de tratamento de efluentes líquidos, objetivando a melhoria do desempenho global do mesmo, reduzindo a emissão de gases efeito estufa, colaborando para aumentar a eficiência energética global da estação de tratamento e conseqüentemente a viabilidade do saneamento básico no País.
1.1. Produção de Biogás em Sistemas de Tratamento de Esgoto
O biogás é uma mistura gasosa combustível, resultante da degradação anaeróbia de matéria orgânica, que consiste no lodo, no caso de sistemas de tratamento de esgoto.
A principal vantagem do processo anaeróbio é que a degradação do material orgânico é acompanhada da produção de energia na forma de biogás, enquanto que a produção de lodo é muito menor, quando comparada aos processos aeróbios. Devido às reduzidas taxas de crescimento das bactérias anaeróbias, tem-se a redução dos custos de transporte, de tratamento e disposição final do lodo.
A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato (matéria orgânica a digerir). De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa.
A formação do biogás envolve, basicamente, três etapas, sendo elas a fermentação, a acetogênese e a metanogênese.
O processo de fermentação envolve ainda outras duas etapas, a hidrólise e a acidogênese. A primeira converte a matéria orgânica em moléculas menores pela ação de bactérias hidrolíticas, que transformam proteínas em peptídeos e aminoácidos, polissacarídeos em monossacarídeos, gorduras em ácidos graxos, pela ação de enzimas extracelulares, como a protease, a amilase e a lipase. Em seguida, durante a acidogênese, as bactérias fermentativas transformam esses produtos em ácidos solúveis (ácido propiônico, butírico e fórmico, por exemplo), álcoois e outros compostos. Também atuam as chamadas bactérias do ácido fórmico que degradam as moléculas orgânicas solúveis em dióxido de carbono (CO2), gás hidrogênio (H2) e ácido acético (CH3COOH) que serão utilizados pelas bactérias metanogênicas na última etapa do processo de formação de metano.
Uma vez encerrada a fermentação, tem início a acetogênese, etapa onde atuam bactérias facultativas, capazes de agir, tanto em meio aeróbio, quanto anaeróbio. O oxigênio necessário para efetuar essas transformações é retirado dos compostos que constituem o material orgânico, não necessitando estar no ar. As bactérias acetogênicas transformam os produtos obtidos na primeira etapa (ácido propiônico e butírico, por exemplo) em ácido acético (CH3COOH), hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2).
A última etapa na produção do biogás, sendo esta a metanogênese, é a formação de metano, onde atuam obrigatoriamente bactérias anaeróbias e extremamente sensíveis a mudanças no meio, como temperatura e pH. As bactérias metanogênicas transformam o hidrogênio (H2), o dióxido de carbono (CO2) e o ácido acético (CH3COOH), obtidos tanto na etapa fermentativa quanto na etapa acetogênica, em metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) (COSTA et al., 2001, p. 48).
Na ETE da SABESP em Barueri/SP, a maior da América Latina, encontra-se em fase de testes, o referido projeto piloto visando o aproveitamento do biogás como combustível, para a geração de energia elétrica, cujos primeiros levantamentos indicaram uma produção média de 24.000 m3 (tratamento secundário) por dia de biogás (chegando a 28.000 m3/dia em alguns períodos), com um PCI (poder calorífico inferior, estimado) de 5.300 kcal/Nm3 (22,2 MJ/Nm3), cuja composição (%) é apresentada na tabela 1. Outras características do biogás são apresentadas na tabela 2.
1.2. Tecnologias de Conversão do Biogás
Existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética do biogás. Entende-se por conversão energética o processo que transforma um tipo de energia em outro. No caso do biogás, a energia química contida em suas moléculas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada. Essa energia mecânica ativa um gerador que a converte em energia elétrica.
As turbinas a gás e os motores de combustão interna do tipo "Ciclo - Otto", são as tecnologias mais utilizadas para esse tipo de conversão energética.
Algumas características das tecnologias disponíveis comercialmente são descritas na tabela 3.
Outros fatores que devem ser levados em consideração, no que se refere à comparação das opções de tecnologias para biogás, dizem respeito aos aspectos técnicos e eficiência de conversão.
Vale ressaltar que, embora os motores, de modo geral, possuam maior eficiência de conversão elétrica, as turbinas a gás podem apresentar um aumento de sua eficiência global de conversão, quando operadas em sistemas de cogeração (calor e eletricidade) (COSTA et al., 2001, p. 59).
Com o intuito de melhor avaliar a eficiência das tecnologias acima citadas, foi instalada, em meados do mês de dezembro de 2002, uma microturbina Capstone de 30 kW de potência (ISO), em conjunto com o sistema de purificação do biogás, para testes, como parte do projeto. Os resultados serão comparados com o desempenho dos motores, em termos técnicos, econômicos e ambientais. O objetivo é, ao final dos testes, avaliar a possibilidade de uso de microturbinas/motores a gás para geração em municípios de pequeno porte.
1.3. Limpeza do Biogás
A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e dióxido de carbono prejudica o processo de queima, tornando-o menos eficiente. Estas substâncias misturam-se com o combustível, absorvendo parte da energia gerada. Além destes, também há a presença de gás sulfídrico (H2S), que pode acarretar corrosão precoce, diminuindo tanto o rendimento, quanto à vida útil do motor térmico utilizado. A maioria dos digestores anaeróbios produz um biogás que contém entre 0,3 e 2% de H2S, observando-se também a presença de traços de nitrogênio e hidrogênio (COSTA et al., 2001, p. 55).
As técnicas usualmente empregadas na purificação do biogás são mostradas na tabela 4.
2. Material e Métodos
O biogás gerado na ETE da SABESP em Barueri contém certas impurezas que podem comprometer o bom funcionamento do sistema de purificação (secadores por refrigeração), de compressão (compressor de paletas) e de geração de energia elétrica (microturbina), presentes na instalação. As impurezas mais relevantes encontradas no biogás são basicamente:
- Umidade: pode comprometer o bom funcionamento das partes internas da microturbina (bicos injetores, câmara de combustão, paletas da turbina), além de provocar o empobrecimento do Poder Calorífico do biogás;
- H2S: também pode comprometer o bom funcionamento das partes internas dos secadores, do compressor e da microturbina, pelo efeito da corrosão causada pelo H2S na forma gasosa ou solubilizado na água;
- Presença de ar na tubulação: causa empobrecimento do Poder Calorífico do biogás;
- CO2: gás inerte que também causa empobrecimento do Poder Calorífico do biogás, porém, a microturbina utilizada na instalação, foi projetada para operar com níveis de CO2, entre 30% e 50%. Devido a este fato, não se tornou necessária à retirada deste elemento do biogás.
Para a retirada da umidade presente no biogás foram utilizados, ao longo da linha, filtros coalescentes e dois secadores por refrigeração; um antes e outro após o compressor. Quanto à remoção do H2S gasoso, foi utilizado um filtro de carvão ativado, operando pelo princípio de adsorção, enquanto que, para a remoção do H2S solubilizado na água, foram utilizados secadores por refrigeração e filtros coalescentes.
Tendo em vista que a microturbina corresponde ao equipamento de maior custo da instalação, o sistema de purificação empregado neste projeto foi dimensionado de forma a garantir que as características do biogás estejam dentro das especificações requeridas pela microturbina.
Os resultados das análises do biogás já realizadas demonstram que o sistema de purificação proposto atende às necessidades requeridas pelo equipamento de conversão, ou seja, a microturbina a biogás.
Também, devido ao modo como é gerado, o biogás contém alto teor de umidade, sendo necessária a sua desumidificação. Qualquer resfriamento ou compressão do gás durante o processo provoca condensação quando o gás entra no equipamento de conversão, sendo crítica a situação ao se tratar de turbinas a gás. A remoção do condensado, seguida do aquecimento do gás, produz um gás seco cuja temperatura é superior ao seu ponto de orvalho. O mesmo efeito pode ser criado pelo uso de um dessecante. Comprimindo o gás seco e resfriando-o em seguida, é produzida maior quantidade de condensado.
O objetivo final é introduzir o gás pressurizado na microturbina e o biogás chegará no bloco do "manifold", no mínimo, 10ºC acima do ponto de orvalho.
2.1. Equipamentos Utilizados
Os equipamentos empregados na ETE de Barueri, bem como suas funções, são descritos na tabela 5. Nas figuras 2 e 3, são apresentados uma foto e um esquema das instalações do projeto, respectivamente.
A quantidade de biogás consumida pela microturbina equivale a 20 m3/h ou 480 m3/dia, em média.
3. Resultados Preliminares e Discussão
A tabela 6 exibe uma comparação dos resultados obtidos por meio das análises feitas no biogás gerado na ETE da SABESP, em Barueri, com as especificações do gás combustível de alimentação da microturbina (Modelo: C30 L/DG), de acordo com o fabricante Capstone.
No que se refere aos valores obtidos com relação aos gases de exaustão da microturbina, os resultados são mostrados na tabela 7.
Os dados obtidos, até o presente momento, servirão de base para a realização de futuros estudos de impacto ambiental comparativos, entre motores ciclo - Otto e microturbinas. Mas, já é possível perceber que a taxa de emissão de NOx, gás de grande impacto referente ao efeito estufa, mostrou-se inferior a 1 ppm, levando-se em conta que a fabricante do equipamento (Capstone), garante uma taxa de emissão de NOx inferior a 9 ppm.
Sendo assim, a grande vantagem da utilização deste tipo de tecnologia, está diretamente vinculada ao ganho ambiental, quando comparada com a tecnologia de grupos geradores de combustão interna (ciclo - Otto), responsáveis por uma taxa de emissão de NOx na ordem de 3.000 ppm.
4. CONCLUSÃO
Pelas especificações exigidas pelo fabricante da microturbina, pode-se concluir que o sistema instalado com baseado nessas condições obteve êxito, uma vez que atendidos esses parâmetros de instalação, do dimensionamento da linha do sistema de purificação, de seus equipamentos e de compressão do biogás de acordo com a necessidade da microturbina, o combustível na entrada da mesma se apresentou dentro das suas especificações.
Esses dados servirão de base para a realização de estudos, sob aspectos econômicos, financeiros e de impacto ambiental, comparando o desempenho da microturbina ao de um grupo gerador, uma futura instalação prevista para ser implantada junto a microturbina, utilizando a mesma faixa de potência, porém, sem utilizar as especificações de preparação do combustível para a microturbina.
Diante disso, com as análises dos resultados de operação, poderiam ser feitas alterações significativas na configuração do projeto, de modo a otimizar o desempenho do sistema como um todo, além de propiciar o desenvolvimento de uma instalação semelhante, com menor custo.
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