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AVALIAÇÃO DO PROJETO PILOTO DE RECUPERAÇÃO DO BIOGÁS NO ATERRO
DA MURIBECA/PE
Universidade Federal de PernambucoGrupo de Resíduos Sólidos - GRS
Dsc. Eng. Civil - Felipe Jucá Maciel
INTRODUÇÃO
- OBJETIVO GERAL DA PESQUISA:
- ESPECÍFICOS:
Avaliar o potencial de biogás e energia em um aterro experimental com cerca de 37.000 t de RSU.
a) Caracterização física e química dos resíduos;
b) Comportamento geoambiental da célula (biodegradabilidade);
c) Avaliação de emissões fugitivas de CH4 pela cobertura;
d) Definição parâmetros técnicos e econômicos do projeto de aproveitamento do biogás;
INTRODUÇÃO
- JUSTIFICATIVAS DA PESQUISA:
a) Situação da destinação final dos RSU no Brasil ainda é crítica: 64% dos resíduos dispostos em 4.000 lixões (IBGE);
b) Cenário de vários municípios de pequeno-médio porte – escala do aterro experimental;
c) Emissões de gases em aterros de RSU é um problema de poluição local e global (efeito estufa) e pode gerar receitas (MDL) para o município;
d) Previsão da geração de biogás ainda é imprecisa para as condições
do Brasil (clima, resíduo, operação) – falhas técnicas em projetos existentes.
e) Aproveitamento energético do biogás é incipiente no Brasil – fonte renovável de energia e disponibilidade de energia;
- Contexto mundial:
- Histórico Brasil: Década 70 (ex. Comlurb) – uso veicular. Posteriormente
(2000), Proinfa e MDL surgiram novos projetos (7 plantas). Em operação escala comercial: Bandeirantes (20 MW), São João (25MW) e
Nova Iguaçu/RJ (12 MW)
- EUA (2007) = 425 projetos. Califórnia possui 74 plantas;
- Alemanha (1995) = 112 unidades;
- GBR (1993) = 55 instalações;
INTRODUÇÃO
PROJETOS MDL NO BRASIL (2011):
- Atualmente, 26 projetos de redução de emissões no MCT dos quais apenas 7 envolvem geração de energia;
2004: Nova Iguaçu/RJ (12MW), Vega/BA (40MW) e Cariacica/ES (11 MW);2005: Mauá/SP (10 MW), Bandeirantes/SP (22 MW) e São João (20 MW);2006: Manaus/AM (18 MW)2007 a 2011: ------
4.996.749,0 2.768.380,0 2.228.369,0
-44,60%Variação %Diferença em tCO2eTotal Realizado (até junho 2008)Total Previsto (até junho 2008)
ATERRO BANDEIRANTES/SP
144.489,8 102.984,0 41.505,8 -28,73%
Total Realizado (fev/2007 a out/2007)
ATERRO CAIEIRAS/SP
Variação %Diferença em tCO2e
Total Previsto (fev/2007 a out/2007)
265.428,3 251.176,0 14.252,3
-5,37%
Total Previsto (Set/2006 a Fev/2008) ATERRO PAULÍNEA/SP
Total Realizado (Set/2006 a Fev/2008)
Variação %Diferença em tCO2e
1.084.650,3 315.851,0 768.799,3
-70,88%
Total Realizado (Mar/2004 a 2005)
Variação %Diferença em tCO2e
Total Previsto (Mar/2004 a 2005) ATERRO METROPOLITANO SALVADOR/BA
1.100.112,0 717.468,0 382.644,0
-34,78%
Total Previsto (junho/2007 a junho/2008)
Variação %Diferença em tCO2eTotal Realizado (junho/2007 a junho/2008)
ATERRO SÃO JOÃO/SP
145.323,3 22.276,4
123.046,9 -84,67%
Total Previsto (jan/2007 a maio 2008)
Variação %Diferença em tCO2eTotal Realizado (jan/2007 a maio 2008)
ATERRO ANACONDA/SP
- Monitoramento dos projetos (IPCC):
INTRODUÇÃO
MATERIAIS E MÉTODOS
- Localização da Célula Experimental
MATERIAIS E MÉTODOS
- Layout da Célula Experimental
DRENOS DE GÁS (POÇOS VERTICAIS)
COLETOR TRONCO (PEAD PN 8 PE80 DE 110 mm)
LEGENDA:
DRENAGEM PLUVIAL
VIA DE ACESSO - CÉLULA
VIA PRINCIPAL
XX CERCA VERDE (VIVA)
INDICAÇÃO DOS CORTES LONG. E TRANSVERSAIS
ACOPLAMENTO DRENO VERTICAL C/ REDE DE COLETA
RAMAIS 1, 2 E 3 (PEAD PN 8 PE 80 DE 75 mm)
SUB-RAMAIS 1 E 2 (PEAD PN 8 PE 80 DE 75 mm)
DV-1
DV-2
DV-3
DV-4
DV-5
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Área base = 85 m x 70 m;Altura máx. = 9,0 m;Drenos vert. = 5 und PVC + brita;Cobertura = 40-90 cm argila;Rede de coleta = 300 m PEAD;Enchimento = Abr/07 a Jan/08)
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS E MÉTODOS
- Usina Piloto da Muribeca
MATERIAIS E MÉTODOS
- Gerador assíncrono (trigás) = 20 kVA potência instalada, motor GM corsa 1.8, trifásico, 380 volts;
- Compressor radial 4 cv = vazão máxima de 252 m3/h;- Filtro de biogás = remoção de H2S;- Sistema trocador de calor;- Medidor volumétrico de gás;
MATERIAIS E MÉTODOS
- BIOGÁS (velocidade, pressão, temp. e composição)
Equipamentos portáteis (anemômetro, manômetro, termômetro e analisador de gás) ou fixos (manômetros e poço térmico)
- Monitoramento individual por dreno e do sistema completo (saída do flare):
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS E MÉTODOS
- ENERGIA (consumo gás, produção de energia, eficiência)
Leituras instantâneas (carga, rotação, temperatura, etc) - Painel de Controle do Equipamento
Leituras acumuladas (medidor de gás
volumétrico e medidor trifásico de energia)
RESULTADOS E DISCUSSÕES
1) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS:
a) Qualidade do biogás
- Não foi observado variações significativas na qualidade do gás;- Qualidade do biogás (CH4 > 50%) favorável para recuperação energética; - Drenos 4 e 5 – qualidade inferior em função da baixa profundidade;
Concentração média do biogás (%) – Dez/07 a Mar/09 Dreno CH4 CO2 O2 DV-01 55,0 40,4 1,1 DV-02 55,7 40,8 0,8 DV-03 53,6 40,5 1,6 DV-04 49,5 35,5 3,3 DV-05 46,3 33,4 4,2
-
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
Tempo após conclusão da Célula (dias)
Com
posi
ção
biog
ás (%
v/v
)
CH4CO2O2
REDE DE COLETA
RESULTADOS E DISCUSSÕES
b) Quantidade de biogás
- Produção de biogás mais acelerada e intensa que o previsto na literatura internacional influencia direta viabilidade do empreendimento;
DrenoProf.
(m)
Vazão CH4 (Nm3/h) Redução (%) - vazão CH4
t = 0
(jan/08)
t = 550 dias
(jul/09)
t = 930 dias
(ago/10)
t = 1180
dias
(abr/11)
t= 550 dias t= 1180 dias
DV-01 7,0 30,4 9,1 4,5 1,6 70,1 94,7
DV-02 7,0 22,6 7,5 4,2 2,5 66,8 88,9
DV-03 8,0 26,8 10,2 2,7 1,7 61,9 93,7
DV-04 3,0 9,8 1,4 0,7 0,2 85,7 98,0
DV-05 4,5 7,7 1,4 0,9 0,7 81,8 90,9
TOTAL ------ 97,3 29,6 13,0 6,7 73,3 93,2
- Indicador 1: Taxa captação do dreno por metro (até 8,5 Nm3/h.m); (Não é função da profundidade do dreno, mas sim de condições internas do aterro e estruturais dos drenos)
- Indicador 2: Taxa captação por tonelada resíduo (até 46,2 Nm3/t.ano);- Indicador 3: Eficiência de captação = 41% (drenagem livre) e aprox. 60% (c/ compressor - sucção);
RESULTADOS E DISCUSSÕES
- Comparação com modelos literatura (EPA e IPCC) utilizando parâmetros “default” não foi satisfatória;
- Velocidade de degradação 4,0 a 5,0 vezes maior que o recomendado pelos modelos;
RESULTADOS E DISCUSSÕES
- Objetivo: Evitar presença de H2O e H2S no gerador;
- Tratamento primário: Temp gás = 37,0ºC e temp amb = 29,5ºC. Com trocador de calor ->redução temp 2,5ºC minimizou condensação de H2O;
2) TRATAMENTO DO BIOGÁS:
-
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
fev/09
mar/09
abr/0
9
mai/09
jun/09
jul/09
Período (meses)
Con
cent
raçã
o H
2S n
o bi
ogás
(ppm
)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
Efic
iênc
ia re
moç
ão H
2S (%
)
Conc. H2S entrada f iltro
Conc. H2S saída f iltro
Eficiênca remoção- Tratamento secundário: Eficiência final de até 75% de remoção de H2S;
RESULTADOS E DISCUSSÕES
- Testes iniciais identificaram dois problemas para funcionamento:(I) excesso de pressão solução: válv. reguladora(II) condensação de vapor H2O solução: trocador de calor;
- Avaliação do consumo de gás e eficiência elétrica do sistema
y = 0,4171x - 735,33R2 = 0,9557
y = 0,178x - 321,71R2 = 0,717 y = 0,13x - 237,67
R2 = 0,92
y = 0,23x - 422,14R2 = 0,750
10
20
30
40
50
60
1850 1860 1870 1880 1890
Rotação do motor (rpm)
Vazã
o C
H4
(Nm
3/h)
Nm
3/h
Teste 1: Sistema original
Teste 2: Ajuste entrada ar(fita adesiva)Teste 3: Medidor + Ajusteentrada ar (válvula)Teste 4: idem Teste 3
Linear (Teste 4: idem Teste 3)18,2 kWh
17,8 kWh
0,8 kWh
5,5 kWh
1,9 kWh18,4 kWh
8,0 kWh17,5 kWh
- Melhorias implantadas reduziram o consumo de gás e aumentaram a eficiência elétrica (3,5% p/ 35%);- Literatura internacional = 20% a 45%;- Consumo CH4 reduziu de 50 para 5 Nm3/h.
3) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE ENERGIA:
RESULTADOS E DISCUSSÕES
- Melhorias implementadas no sistema:(I) Válvula reguladora de entrada de ar;(II) Medidor volumétrico de gás(III) Válvulas de ajuste fino (controle do fluxo);
Medidor de gás
Válvula regulagem entrada de ar no
motor.Válvulas regulagem
biogás
RESULTADOS E DISCUSSÕES
- Produção acumulada de energia na Usina Piloto
- Produção acumulada até jul/09 – 6.500 kWh;- Considerando horas de operação (350 h), obtêm-se produção de 458kWh/dia ou 17,8kW (90% da capacidade instalada da usina);
-
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
Período (meses)
Ger
ação
acu
mul
ada
de e
nerg
ia (k
Wh)
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4) VIABILIDADE FINANCEIRA DO APROVEITAMENTO:
Tipo I: exclusivo com geração de energia elétrica;Tipo II: exclusivo com queima do biogás e obtenção CERs; Tipo III: energia + queima p/ CERs;
- Análise: VPL e TIR
a) Período 10 anos (mar/2008);b) Curva experimental da produção
de biogás;c) Levantamento de despesas (adm,
depreciação, investimento, O&M);
d) Previsão de receitas (venda energia e CERs).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Tipo I (energia): Só viável com produção otimizada de energia (TIR = 17,5%);Tipo II (queima): Preço atual de €15/tCO2 – TIR = 45,8%. Pode chegar
até TIR de 154% (€25/tCO2);
Tipo III (energia+queima): - Tarifa biogás (Aneel nº335/2008) - R$0,229/kWh (TIR =17,7%) - Tarifa consumo Celpe - R$0,448/kWh (TIR = 65,9%)
PRINCIPAIS CONCLUSÕES
• Condições climáticas na RMR extremamente favoráveis para acelerar decomposição dos RSU;
• Características dos RSU da Muribeca foram favoráveis para potencializar a geração de biogás (% M.O e umidade);
• A qualidade do biogás foi satisfatória para produzir energia desde fechamento da célula (CH4 > 50%);
• Velocidade de degradação de 4,0 a 5,0 vezes maior que previsto pelo EPA e IPCC;
• A eficiência elétrica máxima do gerador foi de 35% (após várias regulagens no sistema);
• Viabilidade financeira mais atrativa do Projeto é com queima do biogás para obtenção dos CERs (TIR máx. = 154%);
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• Contribuiu para o desenvolvimento de novas metodologias de caracterização dos resíduos e avaliação do potencial de biogás;
• A geração de biogás (RMR) mais acelerada e em maior quantidade que o previsto na literatura impacto nos estudos de viabilidade;
• A viabilidade da produção de energia deve ser analisada considerando os fatores locais de disponibilidade de energia na região (definição da tarifação);
• A pesquisa pode ser aplicada para aterros de pequeno-médio porte, além de servir de referência para grandes aterros (∑ pequenas células).
AGRADECIMENTOS
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