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Aproveitamento Sustentável de Biogás
Prof. Dr.-Ing. Werner SternadFraunhofer IGB, Stuttgart, Alemanha
Palestra na FIEMA 201029 de Abril 2010
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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As quatro etapas da degradação microbiológica anaeróbica
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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.
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Influência da freqüência de alimentação
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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
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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
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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
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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
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Motor para cogeração com 37 kWel e 72 kWterm
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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“.
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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.
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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
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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.
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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).
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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.
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Digestor de lodo de alta carga em Heidelberg
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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.
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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
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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!
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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.
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Adsorção com alternação de pressão
Fonte: Carbotech
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O contêiner da planta para purificação de biogás
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Algumas fotos de Zeeland (Holanda)
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Algumas fotos de Zeeland (Holanda)
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Posto de biometano em Jönköping
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Reservatório de biometano com alta pressão em Jönköping
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Ônibus em Oslo
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Tanque do Biometano em Ônibus com 1500 l
Fonte: Solaris
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Existem diversos fabricantes de carros à GNV
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Desenvolvimento de biogás na agricultura na Alemanha
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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!
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Custos específicos do beneficiamento de biogás
Fonte: Carbotech
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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
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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.
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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
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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
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Lavagem de biogás com alta pressão
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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
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O biodigestor novo da ETE Carioba em construção
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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