estudo técnico de viabilidade cogeração ee ete rio preto

8/15/2019 Estudo Técnico de Viabilidade Cogeração Ee Ete Rio Preto

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PREFEITURA DE SÃO JOSÉ DO RIO PRETO

E S T A D O D E S Ã O P A U L O

SERVIÇO MUNICIPAL AUTÔNOMO DE ÁGUA E ESGOTO – SEMAEAUTARQUIA MUNICIPAL – CNPJ nº 04.691.691/0001-78

SEMAE. – RUA ANTONIO DE GODOY Nº 2181 – FONE/FAX 3211-8100 CEP. 15061 – 020 1

SÃO JOSÉ DO RIO PRETO – SP

ESTUDO TÉCNICO DE VIABILIDADE

COGERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE BIOGÁS E DO LODO

PROVENIENTE DE REATORES ANAERÓBIOS DA ETE RIO PRETO

Equipe técnica:

Eng. Waldo Villani Jr.

Eng. Giovanni Rocha Martins

Eng. Renato Takahashi

Eng. Jefferson Celso de Agostinho

Eng. Márcio Henrique Diniz Marques

Eng. Gustavo Blaziza Borghi

Químico Rafael Nava Miceli

São José do Rio Preto, Setembro de 2011








Conteúdo

1 – Motivação ............................................................................................................................ 3

2 – Características Construtivas e Operacionais da ETE Rio Preto ................................................ 5 2.1 – Histórico de implantação ...................................................................................................................................... 5 2.2– Características Construtivas do Sistema de Tratamento ...................................................................................... 5 2.3– Custos operacionais ............................................................................................................................................... 9 2.4 - Histórico de falhas e faltas de energia elétrica ............................................................. ...................................... 10 2.5– Demandas e consumo de energia elétrica .......................................................................................................... 13 2.5 – Produção de biogás na ETE Rio Preto ................................................................................................................. 18 2.6– Volumes de resíduos sólidos e biomassa gerada ................................................................................................ 19

3 – Geração própria de energia elétrica para atendimento às emergências. .............................. 21

4 –

Cogeração: Conceito, Vantagens e Desvantagens ................................................................ 22 4.1- Cogeração ............................................................................................................................................................. 22 4.2- Atualidade ...................................................... ................................................................. ...................................... 23 4.3- Tecnologias ........................................................................................................................................................... 23 4.4- Modos de operação de sistemas de cogeração ................................................................................................... 23 4.5- Tecnologias Aplicáveis ......................................................... ................................................................. ................ 25

5 – Sistemas de cogeração de energia elétrica com rejeitos da digestão anaeróbia. ................... 26 5.1- Analise da geração de energia elétrica com o Biogás ......................................................................................... 26 5.2- Analise da geração de energia elétrica com o lodo desaguado .......................................................... ................ 27 6.1 – Projeto básico de implantação da Planta de cogeração de Energia Eletrica .................................................... 30 6.2 – Projeções de produção de Energia para Início e Fim de Plano .......................................................................... 31 6.3 – Orçamento de custos de Implantação de Projeto de cogeração ETE Rio Preto ................................................. 33

7 –

Estudos de viabilidade econômica ....................................................................................... 35 8 – Conclusões ......................................................................................................................... 41

9 – Referências ......................................................................................................................... 42








1 – Motivação

A premissa de operação de uma ETE - Estação de Tratamento de Esgoto é o seufuncionamento ininterrupto, visto que, o efluente aportado à planta é ininterrupto, somentevariando a vazão de chegada durante as vinte e quatro horas do dia, como também nos 365 diasdo ano.

A interrupção da operação da ETE poderá ocorrer por falta de produto para o tratamento(interrupção do aporte de efluente por rompimento dos emissários ou interceptores); falha eletro-mecânica de equipamento; ou falta de energia elétrica para o acionamento destes.

Dentre as causa das falhas apontadas anteriormente, o operador do sistema deixa de terdomínio somente ao que se refere à energia elétrica, pois, é de fornecimento de terceiro. Paratanto, na maioria das ETE’s, são implantadas soluções de emergência para o suprimento deenergia elétrica, visando à continuidade operacional da planta. O modelo mais utilizado para estasituação é a implantação de geradores movidos a DIESEL ou GÁS NATURAL, onde existedisponibilidade deste combustível.

No projeto inicial da ETE Rio Preto, foi prevista a instalação de geradores movidos a diesel,capazes de gerar até 1.500 kWh, visando às emergências. Tal solução não foi implantada à época,pois, a Concessionária de energia elétrica optou por instalar um alimentador expresso para oabastecimento da planta, com redundância de fonte, estimando ser suficiente para o

abastecimento regular.

Fatores externos vêm trazendo incerteza à garantia de abastecimento de energia elétricapela Concessionária, vez que, não raro acontecem interrupções de fornecimento programadaspara manutenção da rede, variações e quedas momentâneas de tensão, e até apagões comalgumas horas de desabastecimento, principalmente nos verões, onde, as tempestades sãocomuns. Por outro lado, o sistema elétrico nacional se encontra sobrecarregado, e vez por outra, odesabastecimento de energia elétrica ocorre de forma generalizada em uma vasta região.

Após um ano de operação da ETE pelo SeMAE, verificaram-se várias ocasiões em que o

tratamento foi interrompido, por falta de energia elétrica, e por conseqüência, ocorreramextravasamentos do esgoto “in natura” para o rio Preto, que não causaram maiores danos porqueforam de curta duração.

Visando diminuir a vulnerabilidade do sistema, constatou-se a necessidade imediata daretomada do plano de geração própria de energia elétrica, para atendimento das situaçõesemergenciais, como anteriormente proposto no plano de implantação da ETE.

A outra questão em estudo é a destinação da biomassa gerada pelo lodo digeridoproveniente da fase sólida do tratamento anaeróbio, que atualmente representa uma parcela

importante no custo operacional da planta.








O processo de tratamento do resíduo sólido implantado na ETE Rio Preto consiste nadesidratação do lodo digerido em decanter centrífugo para a elevação do teor de sólidos totais de

1,5% para 20% do volume; desidratação complementar em estufas agrícolas elevando o teor desólidos para 30% do volume; posterior disposição final em aterro sanitário. Todo o processo visa àredução do volume de transporte e disposição do lodo digerido, visto que, dependendo dadistância em que se encontra o local de disposição final o custo do transporte onera sobremaneiraa operação.

Por outro lado, em medos do ano de 2010, o governo federal estabeleceu o Plano Nacionalde Resíduos Sólidos, através da Lei 12.305/2010, regulamentada pelo decreto 7.404/2010, queproíbe a disposição final do lodo de ETE em aterro sanitário a partir de agosto de 2014, por serresíduos passíveis de reaproveitamento.

Tal situação acabou gerando mais uma fonte de preocupação aos operadores da ETE RioPreto, devendo ser encontrada uma forma de reaproveitamento do lodo que atenda a legislação enão onere mais o custo operacional da planta.

Sabe-se que o lodo gerado em ETE possui características que, com tratamento adequado,pode ser utilizado como fonte de energia, com poder calorífico semelhante à lenha. Portanto,quando o volume é considerável, poderá esse resíduo ser utilizado como fonte de calor parageração de energia em termoelétrica convencional, desde que o custo de implantação e operaçãoseja viabilizado.

E mais, com o biogás é possível produzir simultaneamente energia mecânica (em motoresde ciclo Otto) gerando energia elétrica, e energia térmica (através dos gases de escape dacombustão do motor), gerando energia térmica para a secagem complementar do lodo,transformando-o em combustível sólido para posterior geração de energia elétrica, dentro doconceito de cogeração de energia.

Portanto, o paradigma a ser superado visa:

1- Encontrar uma solução que atenda os preceitos técnicos do estado da arte existente para

a cogeração de energia elétrica;

2-

O combustível para acionamento do sistema deverá ser os rejeitos provenientes do

tratamento anaeróbio (biogás e lodo), pois possuem elevado poder energético;

3- Não gere passivo ambiental com sua operação;

4- O custo de implantação e operação da planta de cogeração de energia elétrica seja pago

com o custo evitado para o descarte do lodo e a compra de energia elétrica da

Concessionária;

5- Atenda todo o período de vida útil da ETE, sem aporte de capital extra;

6- Gere recurso adicional para aplicação da planta de cogeração, caso necessário e da ETE

para atendimento quantitativo de final de plano.








2 – Características Construtivas e Operacionais da ETE Rio Preto

2.1 – Histórico de implantação

A concepção do Sistema de Tratamento de Esgoto da ETE Rio Preto foi concluída e definidano início de 2003, com a entrega pelo FIPAI-USP dos estudos de processos de tratamento e o RAP

– Relatório Ambiental Preliminar. Posteriormente, durante os anos de 2004 e 2005 foramconcluídos o projeto básico e o projeto executivo. Em seguida foi realizada a licitação paraconstrução da obra, sendo que o início da construção da ETE se deu em junho de 2006 e, cujasobras civis e montagem dos equipamentos foram terminadas e entregues em dezembro de 2008.

Em janeiro de 2009 foram iniciadas as fases de comissionamentos dos equipamentos e pré-

operação da ETE, período em que a construtora e o SeMAE participaram, conjuntamente, dasatividades operacionais e, finalmente, em setembro de 2010 a ETE foi entregue totalmenteoperacional, para o SeMAE, cabendo a este, desde então, a operação e manutenção do sistema.

Figura 1 – vista da ETE Rio Preto

2.2– Características Construtivas do Sistema de Tratamento

A ETE Rio Preto foi planejada e projetada para ser construída em duas etapas.








A primeira etapa, com capacidade de tratamento para:

- População: 438.000 habitantes;- Vazão média anual: 1.005 l/s;- Vazão máxima horária: 1.650 l/s;- Carga orgânica: 29.400 kg DBO5/dia

A segunda etapa com capacidade de tratamento para:

- População: 584.000 habitantes;- Vazão média anual: 1.340 l/s;- Vazão máxima horária: 2.200 l/s;

- Carga orgânica: 39.200 kg DBO5/dia para o fim do projeto.

Nessa configuração final, a ETE Rio Preto terá capacidade de tratar todo o esgoto coletadoda cidade até o ano 2034.

O processo de tratamento da ETE Rio Preto consiste da associação de dois tipos detratamentos: o anaeróbio e o aeróbio. O sistema de tratamento anaeróbio é formado por reatoresUASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket ou RAFA – Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente) queutilizam de bactérias anaeróbias para a degradação da matéria orgânica. Já o sistema aeróbio écomposto de tanques de aeração associados à decantadores secundários e estações elevatórias de

recirculação de lodo, sendo que esse tipo de sistema se utiliza da ação das bactérias aeróbias pararealizar a degradação da matéria orgânica resultante do efluente dos reatores UASB. Esse tipo deassociação permite eficiência de tratamento projetada de 92 a 95%, sendo que, a eficiênciaalcançada pelo tratamento atualmente, é de 98% de remoção da carga orgânica medida em kg deDBO5.

Atualmente, na 1ª Etapa da 1ª fase de tratamento, encontram-se implantadas as seguintesunidades:

- Gradeamento grosseiro: completamente implantado para o final de plano, é composto por 2grades mecanizadas que têm a função de retirar o material de maior volume, tais como garrafasPET, madeiras, plásticos, borrachas, cerâmicas, estopas, dentre outros.

- Estação Elevatória de Esgoto Bruto: completamente implantado para final de plano, compostopor três conjuntos de moto-bombas, sendo uma de reserva, responsável pelo bombeamento deesgoto bruto gradeado para as unidades seguintes, que então seguirá por gravidade até o final doprocesso de tratamento.

- Tratamento Preliminar: completamente implantado para final de plano, composto pelogradeamento fino com três grades mecanizadas; uma calha Pashall para medição de vazão; doisdesarenadores. O sistema de tratamento preliminar realiza a retirada dos materiais que não

foram retidos no gradeamento grosseiro.








- Caixa distribuidora de vazão: completamente implantada é composta por quatro comportas quefaz a distribuição da vazão para os reatores UASB´s.

- Dosagem de soda: completamente implantada, composto por dois tanques de armazenagem desoda e duas bombas dosadoras de soda, responsável pela correção de pH do esgoto, caso esteesteja relativamente ácido (abaixo de 6,0)

- Reatores UASB: compostos por três módulos com quatro reatores cada, compõem o sistema detratamento anaeróbio, em que se descartam dois dos principais resíduos de uma ETE, o lodo e obiogás.

- Queimadores de gás: completamente instalados para final de plano, realizam a queima do

biogás gerado nos reatores UASB.

- Tanques de aeração e sopradores: composto por três tanques de aeração, compõem o sistemade tratamento aeróbio, em que se insufla ar no esgoto a partir de difusores.

- Decantadores: composto por três unidades que realizam a função de separação entre o efluente(esgoto tratado) e o lodo aeróbio.

- Estação Elevatória de Recirculação de Lodo: com duas moto-bombas instaladas, sendo umareserva, desempenha o papel de recircular parte do lodo decantado para o início do tratamento

aeróbio (tanques de aeração).

- Estação Elevatória de Lodo Excedente: completamente instalada para final de plano, compostapor três moto-bombas, sendo uma reserva, bombeiam parte do lodo decantado para o início dotratamento anaeróbio (reatores UASB), donde, após sua estabilização, será descartado para adesidratação.

- Pós-aeração e contato: completamente instalado para final de plano, composta por dezesseisaeradores de superfície e dosadora de cloro, etapas em que o efluente é polido, com desinfecção(Casa de cloração) e aeração adicional, se necessária, para atendimento às legislações ambientais.

- Casa de desidratação de lodo: composta por dois decanter’s centrífugos têm a função deprodução de torta de lodo com concentração mínima 20 a 25 % de sólidos.

- ETA de serviço: desempenha a função de produzir água de serviço a partir do efluente tratado daETE Rio Preto.

- Estufa agrícola: com três módulos instalados, construídas para obtenção de lodo desidratadocom teores mínimos de sólidos de 30%.

Fluxograma macro do tratamento de esgoto implantado na ETE Rio Preto.








Figura 2 – Fluxograma macro do tratamento de esgoto ETE Rio Preto - Atual

Na 2ª etapa, dentro da 1ª fase do processo de tratamento, será necessário implantar as

seguintes unidades adicionais principais:

- Um módulo de reatores UASB;

- Um tanque de aeração com ar difuso;

- Um soprador na casa de sopradores;

- Comportas na caixa de alimentação central dos decantadores para atender mais um

decantador;

- Um decantador;

- Um decanter centrífugo.

No futuro, caso seja necessário remover nitrogênio e fósforo, será necessário implantar a2ª fase do processo de tratamento. Além das unidades já implantadas na 2ª etapa, para a 1ª fase,será necessário implantar as seguintes unidades adicionais:

- Quatro tanques anóxicos, cada um com 2 misturadores submersíveis;

- Um sistema para conduzir parte dos esgotos, ~ 30%, apenas peneirado e desarenado para

a entrada dos tanques anóxicos;

- Um sistema de mistura rápida e floculação química composto por uma calha Pashall, 4

floculadores, cada um com 4 câmaras em série, cada uma dotada de um agitador do tipo

de turbina axial, e uma casa de dosagem de coagulantes para dosar cloreto férrico e

polímero.








No "layout" da ETE foi deixado espaço para eventuais unidades futuras, além dasanteriormente previstas para:

- Implantar um processo de polimento do efluente da ETE, possivelmente formado por

filtração, caso seja necessário melhorar a eficiência da ETE em termos de remoção de SS,

DBO, nitrogênio e fósforo. Este espaço está situado ao lado da casa de cloração;

- Implantar estufas agrícolas adicionais, caso se deseje utilizar o lodo da ETE na agricultura;

- Implantar uma ETA de Reuso, caso o SeMAE queira fornecer água de reuso para usos

externos.

Figura 3 – Fluxograma macro do tratamento de esgoto ETE Rio Preto - Final de Plano

2.3– Custos operacionais

Durante todo o período de pré operação e posteriormente quando a operação da ETEpassou a cargo do SeMAE, estudaram-se os processos operacionais, de sorte que, os custosmensais incorridos com a operação, não deveriam ultrapassar R$ 0,39/m3 de esgoto tratado.

Na Tabela III foram listados os custos operacionais da ETE, onde se verifica que otransporte e disposição do lodo, e a Energia elétrica representam 20,93% e 22,83%,

respectivamente dos custos operacionais mensais, perfazendo um montante de R$ 420.348,99 (quatrocentos vinte mil, trezentos quarenta oito reais e noventa nove centavos).








Tabela III – Custos operacionais ano: 2011

2.4 - Histórico de falhas e faltas de energia elétrica

Ao longo dos últimos dois anos, ocorreram várias interrupções de energia na ETE, sendoalgumas poucas de modo planejado, mas na sua maioria, não-planejados, ocasionando prejuízos àoperação da estação, principalmente no tocante aos transtornos do seu re-ligamento, mastambém provocando pequenos extravasamentos do esgoto in natura para o rio.

A ocorrência de um surto, uma queda de energia, uma pequena variação da tensão ou um

pequeno “apagão”, causa o imediato desligamento dos equipamentos, para evitar danos,entretanto, operacionalmente, geram anomalias no sistema de controle e proteção, queinterpretam como falhas e acionam os sistemas de proteção pré-programados.

A cada interrupção de energia, a ETE Rio Preto necessita de uma seqüência de operaçõesobjetivando recompor todos os sistemas de tratamento, pois, faz-se necessário a vistoria natubulação, nas válvulas de controle, equipamentos elétricos, bombas, circuitos de proteção e etc.,enfim no sistema inteiro. Esse restabelecimento dura, em média, de 30 minutos a 1 hora,dependendo de cada situação.

O sistema de interceptores implantados possui uma folga, no trecho entre o poço desucção de entrada na ETE Rio Preto e o último ponto de lançamento, visto que, esse trecho








atualmente trabalha como um emissário, e é capaz de reservar aproximadamente 9.000 m3 deesgoto. Como a vazão média diária, atual, é de aproximadamente 1000 l/s, esse trecho é capaz de

suportar até duas horas de fluxo de esgoto, sem que haja extravasamento para o rio Preto, nocaso de paralisação do bombeamento.

Portanto, a cada interrupção de energia, a planta fica no limite de transbordamento deesgoto para o rio Preto, fato que se agrava nos períodos chuvosos, onde o volume de esgoto éacrescido do volume de águas pluviais aportado clandestinamente à rede.

De acordo com relatório de faltas de energia enviado pela concessionária CERRP – Cooperativa de Eletrificação e Desenvolvimento da Região de São José do Rio Preto, no período de5/11/2009 a 28/08/2010 ocorreram 13 falhas de abastecimento, reconhecidas, conforme a Tabela

I abaixo.

Tabela I

Relatório de faltas de energia – fonte: CERRP Início Término Duração (hh:mm:ss)

05/11/2009 08:25:14 05/11/2009 08:25:21 00:00:07

10/11/2009 21:13:23 10/11/2009 21:13:25 00:00:02

10/11/2009 21:13:31 10/11/2009 21:18:52 00:05:21

10/11/2009 21:21:50 10/11/2009 22:29:46 01:07:56

10/11/2009 22:32:46 10/11/2009 00:28:19 01:55:33

07/01/2010 16:53:39 07/01/2010 16:53:45 00:00:06

03/03/2010 09:10:29 03/03/2010 09:46:21 00:35:52

03/03/2010 10:11:02 03/03/2010 10:12:39 00:01:37

09/08/2010 04:29:03 09/08/2010 04:29:05 00:00:02

14/08/2010 21:27:11 14/08/2010 21:27:17 00:00:06

14/08/2010 21:27:23 14/08/2010 21:27:53 00:00:30

22/08/2010 08:08:44 22/08/2010 08:08:51 00:00:07

28/08/2010 16:02:27 28/08/2010 16:02:34 00:00:07

Total das 13 interrupções: 03:47:26

No período de 01/09/2010 a 28/09/211 foram registrados 42 (quarenta e dois) eventoscom oscilações e interrupções no fornecimento de energia elétrica extraído dos diáriosoperacional da ETE, ocasionando 1088 minutos de paralisação do tratamento. Destes, em 13eventos ocorreram oscilações na energia elétrica, sem registro de desligamento de qualquerequipamento; e nos outros 29 (vinte e nove) eventos ocorreram interrupções no fornecimento de

energia elétrica ou desligamento de algum equipamento. Entretanto em somente um destes








eventos ocorreu extravasão do esgoto in natura para o rio Preto, sem registro de danosambientais naquele corpo d’água, conforme relatório abaixo.

RELATÓRIO DE FALHAS DE ENERGIA ELÉTRICA NA ETE RIO PRETOPeríodo: 01/09/2010 a 28/09/2011

Mês DiaHoraInício

Horatérmino

Tempo totalParalisação

(min)Motivo

Set. 10

6 01h56 - 0 Oscilação de energia, sem desligamento de qualquer equipamento

15 17h30 18h07 37 Queda de energia, desligamento total


Out. 10

1 18h20 19h40 80Queda de energia apenas em algumas unidades: Aeração, decantador, pós-aeração e ETA

7 17h30 18h40 70 Queda de energia, desligamento total15 00h58 - 0 Oscilação de energia, sem desligamento de qualquer equipamento

15 08h30 09h15 45 Desligamento de energia para instalação de medidor - CERRP


26 08h44 09h20 36 Desligamento de energia para retirada do medidor - CERRP

Nov. 10

4 12h15 N/D 15 Queda de energia, desligamento total



12 09h11 - 0 Oscilação de energia / EEEB, ETA e Casa de desidratação desligaram

Dez. 10




25 16h46 - 0 Oscilação de energia / EEEB e Casa de desidatração desligaram

Jan. 11

3 23h30 00h10 40 Queda de energia, desligamento total11 09h03 - 0 Oscilação de energia, sem desligamento de qualquer equipamento

12 08h30 - 0 Desligamento ETE - Manutenção da Cápua



Fev. 11






Mar.112 06h15 07h05 50 Queda de energia, desligamento total


Mai. 11 4 13h20 - 0 Oscilação de energia / EEEB e Casa de desidratação desligaram

Jun. 11

3 13h10 - 0 Oscilação de energia, sem desligamento de qualquer equipamento9 12h11 12h20 9 Queda de energia, desligamento total




30 12h37 18h06 329Desligamento ETE - Readequação da rede elétrica CERRP/CPFL- extravasoudurante 286 min.

Jul. 1122 12h03 12h30 27 Queda de energia, desligamento total

25 15h06 - 0 Oscilação de energia / Desligada BC-01-01

Ago. 11 11 18h27 19h47 80 Queda de energia, desligamento total

Set. 11


21 11h00 - 0 Oscilação de energia / todas as unidades desligadas

23 16h00 16h51 51 Queda de energia / Ventania forte / Máx = 66,2 km/h

TEMPO TOTAL DE PARALISAÇÃO (MINUTOS) 1088TOTAL EVENTOS DE INTERRUPÇÕES (UN) 42 N/D - Não disponível








2.5– Demandas e consumo de energia elétrica

As demandas energéticas da planta, nas diversas modalidades operacionais são:

Tabela II

Demandas das unidades de tratamento – ETE Rio Preto

Unidade de tratamento Demanda

Disponível

(kW)

Atual – oper.

1 bomba (kW)

Atual – oper. 2

bombas (kW)

Situação

emergência

(kW)

Final de plano

(kW)

Estação Elevatória de Esgoto Bruto: 3

bombas de recalque 650 cv acionadas porinversores de frequência, sendo uma

reserva

1435,2 478,4 800,0 478,4 956,8

Tratamento preliminar: peneiras e

desarenadores

30,0 30,0 30,0 30,0 30,0

Tanques de aeração e sopradores: 4

conjuntos de sopradores 500 cv acionados

por soft-starter, sendo um reserva

1472,0 650,0 650,0 360,0 1104,0

Estação Elevatória de Recirculação de Lodo:

2 bombas de recalque 100 cv acionadas por

inversor de frequência, sendo uma reserva

147,2 50,0 50,0 50,0 100,0

Estação Elevatória de Lodo e decantadores 17,6 12,0 12,0 12,0 13,0

Pós-aeração e contato: 16 aeradores

mecânicos 7,5 cv

80,0 80,0 80,0 0,0 80,0

Casa de desidratação de lodo: 2 decanter

centrífugos e demais equipamentos

100,0 100,0 100,0 0,0 100,0

ETA de serviço: 2 bombas de recalque 60 cv

acionadas por soft-starter, sendo uma

reserva

88,3 44,1 44,1 44,1 44,1

Outras unidades: CCO, Manutenção e

Almoxarifado, Administrativo, iluminação

externa

40,0 40,0 40,0 15,0 60,0

Ampliações futuras: floculadores,

desinfecção por ozônio (150 cv) e cogeração

de energia (168 cv)

- - - - 284,0

TOTAL 3.410,3 1.484,5 1.806,1 989,5 2771,9








Onde:

Demanda disponível: considerada em relação ao total de equipamentos instalados.

Demanda total utilizada: considerada em relação às atuais condições de operação da ETE Rio Preto com a utilização de 1ou 2 bombas na EEEB.

Demanda situação emergência: considerada em relação às situações mínimas para operação da ETE Rio Preto garantindo olimite de eficiência, com tempo limitado em 24 horas.

Final de plano: considerada em relação as condições operacionais, os equipamentos a serem instalados na ampliação dacapacidade de tratamento e a planta de cogeração de energia.

Para levantamento da demanda real da planta, que varia de acordo com a vazão deentrada de esgoto, foram realizadas medições na subestação de entrada, cujo mínimo e máximode energia elétrica requerida foi de 530 kWh e de 1575 kWh, respectivamente.

Figura 3 – Medições de energia realizadas (período: 16 a 22 de Outubro de 2010)

Além da medição para análise da variação da demanda de energia elétrica durante asemana, analisaram-se também as contas de energia da ETE Rio Preto, a fim de considerar, não sóa demanda utilizada, mas também o consumo em horário de ponta e fora de ponta e os gastosenvolvidos com a energia elétrica.

Observa-se na figura 4 que a demanda máxima utilizada na ETE Rio Preto é de 2.584 kW,com diminuição considerável em meses em que não houve operação da bomba de recalque deesgoto bruto complementar, como nos meses de Janeiro e Agosto de 2011. A média,

considerando o período de Setembro a Agosto de 2011, é de 1.656,25 kW.








Figura 4 –Demandas mensais utilizadas (ano: 2010 - 2011)

Para análises, são apresentados nas figuras 5 e 6 os históricos de consumo fora de horário deponta e no horário de ponta.

Figura 5 – Consumos fora do horário de ponta (ano: 2010 - 2011)








Figura 6 – Consumos em horário de ponta (ano: 2010 - 2011)

Na figura 7 são apresentados os gastos com energia elétrica, referente ao ano de 2010 a2011, estratificando os principais componentes dos gastos globais. O valor médio da conta deenergia da ETE Rio Preto é em torno de R$ 210.000,00.

Figura 7 – Gastos com energia elétrica (ano: 2010 -2011)

O gráfico da figura 8 mostra como é a relação entre os gastos com consumo em horário deponta e o consumo fora do horário de ponta. Essa relação, para as atuais condições de operaçãoda ETE Rio Preto, é, em média, 0,76. Desse modo, conclui-se que, embora o horário de ponta sejalimitado a 3 horas por dia, durante 5 dias da semana, o gasto nesse horário compõe praticamente35% do valor total dos gastos com energia elétrica.








Figura 8 – Relação entre horário de ponta e fora de ponta (ano: 2011)

Conforme os dados analisados, a demanda necessária para operação normal nas atuaiscondições da ETE Rio Preto é entre 1500 e 1600 kWh, considerando também que alguns planos deeficiência energética estão sendo desenvolvidos e serão futuramente implantados na ETE.

Com base no estudo das medições de energia elétrica ao longo do período analisado,estabeleceu-se o consumo horário atual e projetou-se o consumo horário requerido para final de

plano, com base na vazão afluente à ETE e obtiveram-se os seguintes resultados:

A primeira etapa, com capacidade de tratamento para:

- População: 438.000 habitantes;- Vazão média anual: 942,32 l/s;- Vazão máxima horária: 1.204,31 l/s;- Consumo mínimo horário: 573 kWh- Consumo máximo horário: 1.551 kWh- Consumo médio diário: 23.406 kWh

- Consumo médio mensal: 835.471,88 kWh

A segunda etapa com capacidade de tratamento para:

- População: 584.000 habitantes;- Vazão média anual: 1.340 l/s;- Vazão máxima horária: 2.200 l/s;- Consumo mínimo horário: 1.029 kWh- Consumo máximo horário: 2.786 kWh- Consumo médio diário: 42.036 kWh- Consumo médio mensal: 1.402.779 kWh








A tabela abaixo ilustra o consumo horário atual e para final de plano em função da vazãoafluente à planta:

PeríodoVazão Afluente l/s

AtualNECESSIDADE DIÁRIA de EE kWh

AtualVazão Afluente l/s

Final de PlanoNECESSIDADE DIÁRIA de EE kWh

Final de Plano

00:00 00:30 1064,74 907 1.522,58 1.628,97

00:30 01:00 944,14 900 1.350,12 1.616,40

01:00 01:30 897,21 893 1.283,01 1.603,83

01:30 02:00 854,81 880 1.222,38 1.580,48

02:00 02:30 773,56 859 1.106,19 1.542,76

02:30 03:00 639,92 850 915,09 1.526,60

03:00 03:30 626,43 820 895,79 1.472,72

03:30 04:00 582,94 780 833,60 1.400,88

04:00 04:30 526,88 720 753,44 1.293,12

04:30 05:00 492,45 680 704,20 1.221,28

05:00 05:30 451,99 600 646,35 1.077,60

05:30 06:00 458,59 585 655,78 1.050,66

06:00 06:30 456,70 573 653,08 1.029,11

06:30 07:00 460,70 580 658,80 1.041,6807:00 07:30 545,66 585 780,29 1.050,66

07:30 08:00 611,59 680 874,57 1.221,28

08:00 08:30 684,37 720 978,65 1.293,12

08:30 09:00 815,46 780 1.166,11 1.400,88

09:00 09:30 907,59 820 1.297,85 1.472,72

09:30 10:00 1008,44 850 1.442,07 1.526,60

10:00 10:30 1080,48 859 1.545,09 1.542,76

10:30 11:00 1134,96 870 1.622,99 1.562,52

11:00 11:30 1120,42 900 1.602,20 1.616,40

11:30 12:00 1203,64 980 1.721,21 1.760,08

12:00 12:30 1169,34 1050 1.672,16 1.885,80

12:30 13:00 1193,47 1098 1.706,66 1.972,01

13:00 13:30 1181,20 1150 1.689,12 2.065,40

13:30 14:00 1204,31 1230 1.722,16 2.209,08

14:00 14:30 1125,18 1313 1.609,01 2.358,15

14:30 15:00 1187,79 1350 1.698,54 2.424,6015:00 15:30 1163,27 1410 1.663,48 2.532,36

15:30 16:00 1148,30 1480 1.642,07 2.658,08

16:00 16:30 1126,24 1551 1.610,52 2.785,60

16:30 17:00 1096,24 1480 1.567,62 2.658,08

17:00 17:30 1139,15 1410 1.628,98 2.532,36

17:30 18:00 1119,88 1350 1.601,43 2.424,60

18:00 18:30 1064,17 1313 1.521,76 2.358,15

18:30 19:00 1093,49 1230 1.563,69 2.209,08

19:00 19:30 1122,39 1150 1.605,02 2.065,40

19:30 20:00 1140,74 1098 1.631,26 1.972,01

20:00 20:30 1166,74 1000 1.668,44 1.796,00

20:30 21:00 1148,15 954 1.641,85 1.713,38

21:00 21:30 1133,51 934 1.620,92 1.677,46

21:30 22:00 1103,66 928 1.578,23 1.666,69

22:00 22:30 1075,39 922 1.537,81 1.655,91

22:30 23:00 989,42 919 1.414,87 1.650,52

23:00 23:30 1014,90 913 1.451,31 1.639,75

23:30 00:00 986,10 907 1.410,12 1.628,97

MÉDIA TOTAL 942,43 23406 1.347,68 42.036,28

2.5 – Produção de biogás na ETE Rio Preto

Através do histórico de medições das vazões do esgoto bruto afluente, a carga orgânicaremovida no tratamento anaeróbio e a medição do biogás queimado nos flares, em média, a ETERio Preto produz 7.800 Nm3, cuja média horária diária é de 325 Nm3/h, sendo a mínima de 155Nm3/h as 5:00 h e a máxima de 415 Nm3/h as13:30. O grafico 9 abaixo indica a produção dobiogás em função da vazão ao longo do dia atual e o gráfico 10 a estimativa para o final de plano.








Figura 9- Variação de vazão de entrada de esgoto em 24 horas x Produção de Biogás (atual)

Figura 10- Variação de vazão de entrada d esgoto em 24 horas x Produção de Biogás (final de plano)

2.6– Volumes de resíduos sólidos e biomassa gerada

Os lodos produzidos pelos reatores UASBs são encaminhados por gravidade para umsistema de desidratação mecânica de lodos. Os UASBs na 1ª fase em final de plano produzirão até

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

18002000

Vazão de esgoto x Produção de biogás

Produção Biogás Nm3/h Vazão Afluente l/s








775 m3/dia de lodo com concentração de sólidos de 2,5%. Na 2ª fase esta produção é estimada em946 m3/dia.

Para desidratação mecânica dos lodos com produção de “tortas” com concentração de sólidos mínima de 20% e captura de sólidos, mínima de 95%, foram instaladas duas centrífugas dotipo “decanter” cada uma com capacidade para até 30 m

3/h. Estas centrífugas na 1ª fase poderãooperar até 12,9 h/dia. Na 2ª fase este período passará para 15,8 h/dia.

O lodo desidratado é transportado horizontalmente por duas roscas transportadoras (umapara cada centrífuga), para um galpão do tipo estufa agrícola situado ao lado da casa dedesidratação. As roscas descarregam o lodo desidratado em uma ou duas caçambas do tipo roll-onou um ou dois caminhões basculantes, que transportam o lodo para secagem complementar em

estufas agrícolas, ou para descarte final em aterro sanitário.

Para recebimento do lodo dos UASBs no sistema de desidratação, foram instalados doistanques de estocagem de lodo com volume útil total da ordem de 950 m3, o suficiente para cercade um dia de produção de lodo em fim de plano na 2ª fase. Estes tanques são dotados com quatromisturadores do tipo submersível, cada um com potência de 4 cv.

Do tanque de estocagem, o lodo é recalcado para as centrífugas por três conjuntos motor-bomba do tipo helicoidal de velocidade variável, sendo um reserva, cada um com capacidade pararecalcar vazões entre 15 e 30 m3/h. No recalque de cada conjunto foi instalado um medidor de

vazão do tipo eletromagnético, e um misturador estático para o recebimento do polímero.

O consumo de polímero puro é entre 4 e 8 kg/t de sólidos em peso seco. Utiliza-sepolímero líquido com concentração da ordem de 30%, acondicionado em tambores de 200 l. Paraaplicação, o polímero é rediluido até uma concentração de 0,1%. Para dosagem e re-diluição dopolímero foram instalados três equipamentos automáticos, do tipo Poliblend ou similar, sendo umreserva, cada um com capacidade para dosar até 8 kg de polímero por tonelada de lodo seco.

A produção máxima do lodo desidratado na 1ª fase será de 86 m3 /dia (81t/dia), podendochegar até 105 m3 /dia (99 t/dia) na 2ª fase. Atualmente a produção de torta (lodo desidratado) é

de 53 m3

/dia ou 50 t/dia

O filtrado das centrífugas é encaminhado, por gravidade, para a EEEB, e reciclado naentrada da ETE.

O lodo desidratado, com concentração de sólidos mínima de 20%, é encaminhado porcaminhões basculantes para estufas agrícolas para uma secagem complementar, para obtenção deteores sólidos mínimos de 30%, o suficiente à disposição dos lodos em aterros sanitários.

Foram previstas quatro estufas cada uma com 12,80 m de largura, 252 m de comprimento

e altura livre de 5,0 m, totalizando uma área de 12.902,40 m

2

, o suficiente para acomodar a áreaútil necessária e espaços livres para circulação de caminhões e máquinas. Atualmente estão








instaladas três unidades com área total de 9.676,80 m2. As estufas foram executadas comestruturas metálicas e com cobertura abobadada com plástico transparente. Para operação das

estufas serão necessários, no mínimo, dois caminhões basculantes, uma pá carregadeira e umtrator com revolvedor de solo lateral.

Atualmente, a secagem complementar do lodo desidratado em estufas não está emoperação, sendo esse descartado diretamente em aterro sanitário.

Os volumes médios mensais de resíduos sólidos e biomassa (lodo), encaminhados ao aterrosanitário são:

Tipo de resíduo Local de captação Quantidade (t)

Areia Clamshell e desarenadores 227,80Material gradeado Gradeamento grosseiro e fino 12,20

Lodo desidratado concentração média 23,7% SST Casa de desidratação 1107

3 – Geração própria de energia elétrica para atendimento àsemergências.

A primeira opção estudada, visando atender as faltas ou falta de abastecimento de energiaelétrica por parte da Concessionária para a planta, foi a geração própria de energia elétrica emcaso de emergência, com a instalação de grupos de geradores, movidos a Diesel, adotando-se a

opção inicial de projeto, com as seguintes características:

Dois geradores da linha Diesel de potência de 1500/1360 KVA , trifásicos, com fator de potência

0,8, na tensão de 480 / 277 Vca em 60 Hz, estação elevadora para 13,8 kVA, para funcionamento

paralelo e automático, estacionário, de combustão interna por ciclo diesel, com potência mecânica

bruta máxima de 1781 CV em rotação nominal de 1800 RPM, instalado em uma sala de máquinas

de 80 m2 , interligado à cabine de entrada e medição, dotado de sistema automático de partida e

paralelismo com a rede da Concessionária.

A proposta totalizou um investimento inicial de R$ 1.789.380,00 (Um milhão setecentos e

oitenta e nove mil trezentos e oitenta reais), sendo R$ 1.677.380,00 (Um milhão seiscentos esetenta e sete mil, trezentos e oitenta reais) em equipamentos e R$ 112.000,00 para construçãoda sala de máquinas de 80 m2.

A análise da proposta indicou que o custo para a energia elétrica gerada na situação deemergência seria em torno de R$ 0,35117 por kWh, considerando-se somente o custo docombustível (óleo diesel a R$ 1,85/l), muito próximo do custo médio, pago para a concessionáriaque é de 0,30211 kWh, entretanto abaixo do custo cobrado pelo horário de ponta daconcessionária.

Tal situação não satisfaz a necessidade plena da ETE, pois, atende somente a situaçõesmomentâneas, e ainda com a opção anteriormente descrita, seria necessária a compra decombustível fóssil, aumentando o custo operacional da ETE.








Uma das desvantagens da co-geração é que o calor só pode ser usado perto do centroprodutor, devido à maior dificuldade no transporte da energia térmica (perdas térmicas nastubulações), o que limita estas instalações a unidades relativamente pequenas se comparadas

com as centrais térmicas convencionais.

4.2- Atualidade

A necessidade de reduzir emissões de CO2 incentivou nos últimos anos à adoção desteprocesso eficiente. Hoje, na Holanda e Finlândia, a co-geração já representa mais de 40% dapotência instalada.

Nos últimos anos, o novo modelo de setor elétrico propiciou a produção elétrica localtornando-a mais eficiente e de baixo custo e levando ao aperfeiçoamento da tecnologia da co-geração, inclusive ao nível da micro-geração (inferior a 150 KW).

4.3- Tecnologias

Os sistemas de cogeração mais utilizados são a turbina a gás, turbina a vapor, motoralternativo e célula de combustível, sendo as diferenças entre eles a relação entre as necessidadesem energia térmica e elétrica, os custos da instalação e da exploração e os níveis de emissões e deruídos. Estes sistemas abrangem os diferentes combustíveis e potências As células de combustívelsão outro sistema, em início de comercialização, mas com futuro promissor para pequenaspotências. A utilização da cogeração permite um sistema de maior repartição de produção deenergia, ao contrário do que se passa em relação às grandes centrais produtoras de eletricidade.

4.4- Modos de operação de sistemas de cogeração

Uma vez conhecidas as possíveis tecnologias para implantação de sistemas de cogeração,torna-se necessário estabelecer regras e definir os modos de operação destes sistemas. O modode operação é definido como sendo o caminho no qual o sistema de cogeração deve operar demaneira a assegurar a viabilidade da instalação e a utilização racional da energia no processo.Assim, fatores técnicos e econômicos devem ser correlacionados com o modo de operaçãoescolhido, para completar a validade da avaliação de implantação de um sistema de cogeração emum determinado estabelecimento.








Os principais fatores que pesam sobre o modo de operação e que devem ser consideradosnum projeto de cogeração são:

- a necessidade de existir uma consistência entre as características de demanda do

estabelecimento (eletricidade, calor e combustível) e as características de capacidade de

produção de eletricidade e de recuperação de calor do sistema de cogeração escolhido;

- o perfil da demanda térmica, incluindo níveis de temperatura e as flutuações típicas da

demanda (diária, mensal e anual). O nível de temperatura deve ser consistente com o nível

de calor rejeitado do sistema de cogeração escolhido;

- o perfil da demanda elétrica e suas flutuações características;

- o custo presente do combustível e da eletricidade comprada e a projeção desses custos

para o futuro;

- a capacidade da planta para as necessidades presentes e futuras do estabelecimento;

- o custo de operação da planta;

- os aspectos ambientais.

Muitos caminhos para a operação de um sistema de cogeração podem ser seguidos deacordo com o tipo e a capacidade do sistema. Contudo, para assegurar a maior eficiência dosistema, a recuperação o calor rejeitado deve ser a maior possível , na condição de operação daplanta de cogeração. Uma planta de calor adicional satisfará os requerimentos do usuário se suanecessidade for maior do que o calor recuperado.

Dependendo do estabelecimento, esta restrição pode ser mais ou menos importante nadeterminação da capacidade da planta e no modo de operação desta. Desse modo, um sistema decogeração deve operar sempre em torno de um ponto médio da demanda.

Cabe, então, impor no projeto a escolha do modo de operação, em função da supremaciade uma modalidade de energia (energia elétrica ou mecânica e calor) sobre a outra, de modo adecidir qual será o produto principal entre estas modalidades, de acordo com os objetivos dainstalação do sistema de cogeração.

Desse modo, existem basicamente 4 estratégias de operação para o projeto de um sistemade cogeração:

Operação em paridade térmica: Nesse modo de operação, o sistema de cogeraçãoé projetado para ser capaz de produzir os requerimentos térmicos em cada período

de tempo considerado, de maneira que o calor é o produto principal e aeletricidade é um subproduto da cogeração. O sistema deve ser conectado a rede








da concessionária, de modo a propiciar a venda de eletricidade excedente ou acompra de eletricidade adicional para o caso de déficit, dependendo dos perfis de

demandas do estabelecimento e das condições operacionais.

Operação em paridade elétrica: Nesse modo de operação, o sistema de cogeraçãoé projetado para ser capaz de produzir os requerimentos elétricos em cada períodode tempo considerado (pico ou base), de maneira que a eletricidade é o produtoprincipal e o calor é um subproduto da cogeração. Se o calor produzido éinsuficiente para satisfazer as necessidades do estabelecimento, um sistema auxiliaré acionado para produzir esta diferença. Em caso contrário, parte do calorproduzido no sistema de cogeração é rejeitado para o ambiente.

Operação econômica: A operação econômica consiste em deixar o sistema decogeração operando governado por fatores econômicos. Assim, o sistema operanas opções de suprir parte, totalidade ou ainda produzir excedente da demandaelétrica de pico, conforme a eletricidade é adquirida ou vendida sob uma tarifa maiselevada. Assim, o empresário cogerador pode optar pela compra de eletricidade daconcessionária para completar o seu suprimento, ou se for o caso, vender oexcedente. O estabelecimento deve utilizar um equipamento suplementar parasatisfazer parte ou a totalidade da sua demanda térmica, quando necessário,dependendo das condições operacionais da planta de cogeração.

Operação em cargas parciais: Nesse modo de operação, o sistema de cogeração ésub dimensionado em relação aos seus requerimentos de eletricidade e calor deprocesso, atendendo cargas parciais destas modalidades de energia. O sistema decogeração não supre as demandas de eletricidade e de calor, e no caso devecomprar parte da eletricidade da concessionária e utilizar equipamentosuplementar para completar as necessidades de calor.

4.5- Tecnologias Aplicáveis

Dentro do exposto até aqui, e em função do nível de capacidade requerido para sistemas

de cogeração em ETE’s, basicamente três tipos de tecnologias são aplicáveis: as pequenas turbinasa vapor, as pequenas turbinas a gás e os motores de combustão interna.

Sistemas de cogeração utilizando pequenas turbinas a vapor (ciclo Rankine), apresentamum alto custo capital e uma baixa razão entre a eletricidade e o calor produzido, além degeralmente utilizarem combustíveis mais poluentes, sendo suas aplicações viáveis a pequenasplantas afastadas de centros urbanos, onde geralmente, existe disponibilidades de combustíveis abaixos custos.

A utilização de pequenas turbinas a gás e motores de combustão interna (ciclo Otto) se

ajustam mais adequadamente às necessidades energéticas do caso em estudo, onde se observacada vez mais um número crescente de casos que utilizam esta tecnologia.








No Brasil, estudos técnico-cconômicos de sistemas de cogeração compactos, na faixa de

25kW a 4MW, baseados em motores de combustão interna e turbinas a gás, revelam-se comointeressantes meios para geração descentralizada de energia, principalmente quando aplicados aETE’s. Entretanto, o maior problema existente, diz respeito a transação de excedentes, quanto aquestão institucional e tarifária.

5 – Sistemas de cogeração de energia elétrica com rejeitos da digestãoanaeróbia.

As tecnologias de geração e co-geração de energia, que é a geração combinada deeletricidade e calor a partir de uma mesma fonte primária de energia, estão bem desenvolvidas esuficientemente comprovadas com diversos sistemas disponíveis, cobrindo os diferentescombustíveis e uma vasta gama de potências.

O caso em estudo consiste em utilizar como fonte de geração de energia elétrica o biogás eo lodo digerido proveniente da fase sólida do tratamento de esgotos, produzido nos UASB’S.Complementarmente, o calor gerado nas máquinas térmicas deverá ser aproveitado como fontede energia para o desaguamento complementar do lodo desaguado pelos decanter’s centrífugos.

O biogás e o lodo da ETE Rio Preto possuem os seguintes PCI - Poder Calorífico Inferior:

Biogás - PCI de 6.600 Kcal/Nm3 com teor de metano (CH4) médio de 79%; Lodo digerido desaguado com umidade de 10% - PCI de 2.500 kcal/kg.

Atualmente, a ETE Rio Preto produz em média 7.800 Nm3/dia de biogás e 50.000 kg/dia delodo com 75% de umidade. Entretanto o lodo para que seja passível de ser aproveitado comocombustível requer desaguamento complementar para que atinja um teor de umidade de nomáximo 10%. Nestas condições, a produção diária é de 13.888,89 kg/dia de lodo com 10% deumidade.

Portanto, estes combustíveis, somados, possuem um calor latente de 86.202.222,22

kcal/dia passíveis de aproveitamento.

A necessidade diária de energia elétrica da ETE é de 23.406 kWh.

5.1- Analise da geração de energia elétrica com o Biogás

Das várias tecnologias existentes para se obter energia a partir da queima do biogás asmais utilizadas são:

- Turbina a Gás (Ciclo Brayton), aonde o biogás é queimado diretamente dentro da turbina,

sendo esta conectada a um gerador;








- Motores de Combustão Interna (Ciclo Otto), o biogás é queimado dentro das câmaras decombustão e o movimento da manivela do motor é conectado a um gerador elétrico;

- Turbina à Vapor (Ciclo Rankine), aonde temos a geração de vapor superaquecido e autilização deste para geração de eletricidade através de uma turbina a vapor, conectada aum gerador.

As turbinas a Gás não serão motivo de estudo, pois, seu custo de aquisição, manutenção eoperação são atualmente proibitivos.

Considerando o rendimento dos motores de ciclo Otto da ordem de 40%, com biogás épossível gerar 20.592.000 kcal/dia, que equivale a 23.948,50 kWh/dia, e os geradores elétricos

acoplados a estes motores possuem um rendimento de até 92%, pode-se dizer que o biogáspoderá gerar até 22.032,62 kWh/dia. Nessa condição tem-se que o biogás poderá gerar 94% danecessidade diária de energia elétrica da ETE.

Por outro lado, o rendimento de uma turbina a vapor (ciclo Rankine) é da ordem de 33%,com o biogás é possível gerar 16.988.400,00 kcal/dia, que equivale a 19.757,51 kWh/dia, e osgeradores elétricos acoplados a estes turbo geradores possuem um rendimento de até 88%, pode-se dizer que biogás poderá gerar até 17.386,61 kWh/dia. Nessa condição tem-se que o biogáspoderá gerar 74% da necessidade diária de energia elétrica da ETE

Portanto, no que se refere ao uso do biogás é mais viável a utilização de motores de cicloOtto para geração de energia elétrica.

5.2- Analise da geração de energia elétrica com o lodo desaguado

Considerando que a produção diária de lodo desaguado com umidade de 75% é de 50t/dia, e o aproveitamento desse lodo como combustível, só é possível quando a unidade da massaé de no máximo 10%, será necessário o desaguamento complementar de 35.888,89 kg/dia deágua, pois, quando a torta sai do decanter centrífugo tem um teor de umidade de 75%. Taldesaguamento requer uma energia equivalente a 23.367.614,44 kcal/dia ou 27.176,54 kWh/dia oque a princípio inviabiliza a sua utilização, pois requer mais energia do que pode gerar com o seureaproveitamento energético.

Nesse ponto, entra a cogeração de energia, visto que o motor de ciclo Otto queimandobiogás produz gases de escape da ordem de 2.590 (60%) a 4000 (100%) m3/hora com temperaturamédia de 365o C, que é disperso na atmosfera. O aproveitamento dessa energia, para a secagemcomplementar do lodo, passa a ser uma alternativa viável, pois, representa uma quantidadeenergética que vai de 190.885,64 até 242.476,35 kcal/h, consideradas as perdas no sistema e oteor de umidade durante a queima do combustível no motor. Considerando-se a possibilidade dese utilizar um secador térmico de lodo, cujo rendimento é de 72%, serão necessários32.455.020,06 kcal/dia para a secagem de 35.888,89 kg/dia de água. Considerando que o motor

funcionará 24 h/dia, cujos gases de escape serão aproveitados como fonte de energia, serápossível recuperar 34.668.966,05 kcal sabendo-se que o rendimento do sistema de tubulação é de








60%. Portanto, a energia recuperada do motor e suficiente para a secagem complementar do lodoem secador térmico rotativo.

Por outro lado, há na ETE 3 estufas agrícolas, que poderão ser utilizadas para auxiliar nasecagem complementar do lodo, com a implantação de uma enxada rotativa automática,desenvolvida para secagem/compostagem do lodo, cuja curva de decaimento da umidade foideterminada por experimentos de campo, e sendo possível chegar até 21% de umidade da massacom 21 dias de exposição ao processo. (relatório de ensaio preliminar REP-LAB-ETE-001)

O lodo desaguado (LDP), pelos métodos descritos anteriormente, poderá ser utilizado parageração de energia elétrica somente através de uma caldeira - Turbina à Vapor (Ciclo Rankine),aonde temos a geração de vapor superaquecido e a utilização deste para geração de eletricidadeatravés de uma turbina a vapor, conectada a um gerador

O rendimento de uma caldeira acoplada à turbina a vapor (ciclo Rankine) é da ordem de33%, com o lodo digerido desaguado com 10% de umidade é possível gerar 11.458.334,25kcal/dia, que equivale a 13.326,04 kWh/dia, e os geradores elétricos acoplados a estes turbogeradores possuem um rendimento de até 88%, pode-se dizer que o lodo poderá gerar até

11.726,88 kWh/dia.

6 – Planta de cogeração de energia da ETE Rio Preto

Após vários estudos que permitissem que o paradigma anteriormente estabelecido fosseatendido, chegou-se a uma solução que atende ao estado da arte em cogeração de energia

elétrica, utilizando os rejeitos da digestão anaeróbica dos esgotos (o biogás e o lodo digerido

desidratado) cujo fluxograma abaixo ilustra a proposta.








6.1 – Projeto básico de implantação da Planta de cogeração de Energia Elétrica








6.2 – Projeções de produção de Energia para Início e Fim de Plano








6.3 – Orçamento de custos de Implantação de Projeto de cogeração ETE Rio Preto








7 – Estudos de viabilidade econômica

O horizonte de projeto a ser considerado para a analise de viabilidade econômica terá

início no ano de 2012, com término de período em 2034, ano de fim de plano da ETE Rio Preto, ou

seja, ano em que a ETE está em sua vazão limite.

Considerando o histórico das contas de energia elétrica, sabe-se que a média horária deconsumo na ponta é de 1.140,5 kWh e que na fora de ponta é de 994,9 kWh. O horário fora deponta é menor, pois abrange o horário da madrugada (0:00 às 6:00), período de menor vazão eportanto, menor consumo de energia elétrica. A média paga pelo consumo, considerando osimpostos, no horário de ponta é de 1,1275 R$/kWh e no horário fora de ponta é de 0,1709R$/kWh. Considerando o funcionamento da planta de cogeração em três horas de horário deponta e vinte uma horas no horário fora de ponta, a economia com energia elétrica, em um mês,será da ordem de R$ 220.035,76, e a econômica anual será R$ 2.640.429,11.

Tabela IV

Variáveis de operação e economia de energia elétrica

Horas de funcionamento – horário ponta 3

Horas de funcionamento – horário fora de ponta 21

Média horária consumo – horário ponta 1140,5 kWh

Média horária consumo – horário fora de ponta 994,9 kWh

Custo de kWh – horário ponta 1,1275 R$/kWh

Custo de kWh – horário fora de ponta 0,1709 R$/kWh

Economia mensal energia – horário ponta R$ 115.734,93

Economia mensal energia – horário fora de ponta R$ 104.249,83

Economia mensal energia R$ 220.035,76Economia anual energia R$ 2.640.429,11








A partir das quantidades médias enviadas ao aterro sanitário, cujo custo dedisposição é de R$ 149,00/t, pela tabela V, verifica-se que o custo evitado com o aproveitamento

do lodo como combustível, será de R$ 155.821,22 ao mês, e a economia anual será R$1.869.854,64.

Tabela V

Tipo de resíduo Local de captaçãoQuantidade

(t)Custo de aterro

(R$)Custo de aterro

(R$)

Areia Clamshell e desarenadores 227,80 41.392,20 41.392,20

Material gradeado Gradeamento grosseiro efino

12,20 1.817,80 1.817,80

Lodo desidratado concentraçãomédia 23,7% SST

Casa de desidratação 1107 164.943,00 0,00

Cinza da queima do lodo (21% dolodo queimado) Termoelétrica 61,22 0,00 R$ 9.121,78

208.153,00 52.331,78

O custo evitado anual com a operação da planta de cogeração de energia será R$4.510.283,75.

Testou-se a viabilidade do empreendimento considerando:

1- Financiamento pelo BNDES através do Proesco, cuja taxa de juros é de 6,52% ao ano,com prazo de carência de 12 meses e até 72 meses para pagamento. Para a aplicação

dos saldos positivos do fluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básicapraticada no mercado financeiro no valor 9,00 % a ano.

2- Financiamento pela CEF, cuja taxa de juros é de 8% ao ano, com prazo de carência de12 meses e até 120 meses para pagamento. Para a aplicação dos saldos positivos dofluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básica praticada no mercadofinanceiro no valor 9,00 % a ano.

3- Financiador hipotético, cuja taxa de juros é de 10% ao ano, com prazo de carência de12 meses e até 120 meses para pagamento. Para a aplicação dos saldos positivos dofluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básica praticada no mercado

financeiro no valor 9,00 % a ano.4- Financiador hipotético, cuja taxa de juros é de 12% ao ano, com prazo de carência de

12 meses e até 120 meses para pagamento. Para a aplicação dos saldos positivos dofluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básica praticada no mercadofinanceiro no valor 9,00 % a ano.

Nas analises dos fluxos de caixa, também foram considerados os custos anuais paraoperação, manutenção preditiva, preventiva e corretiva; e a cada 5 anos (40.000 horas) foiprevista uma revisão geral (overhall).

A seguir são apresentados os quatro fluxos de caixa com as hipóteses retro considerada:








8 – Conclusões

Este estudo permitiu avaliar se as atuais condições de operação da ETE Rio Preto sãoviáveis para a implantação de um sistema de cogeração de energia alternativa a partir do biogás edo lodo digerido gerado em reatores anaeróbios.

Como parte do estudo, desenvolveu-se um histórico da implantação e operação da ETE RioPreto, considerando seus aspectos construtivos, bem como as questões operacionais, tais como, ohistórico de interrupções e o consumo de energia elétrica.

Levantou-se a quantidade de biogás gerada pelos três reatores anaeróbios e do lododigerido desidratado descartado em aterro sanitário. Salienta-se que esse biogás, na data deste

estudo, é totalmente queimado em flares, significando perdas potencias de geração de energiaelétrica. Da mesma forma o lodo é totalmente descartado em aterro sanitário, sem qualquer tipode aproveitamento.

A equipe técnica subscritora desenvolveu pesquisas a fim de levantar as possibilidades degeração de energia com o biogás e o lodo digerido. Estudaram-se as micro turbinas a gás, asturbinas a gás, as caldeiras, os moto geradores de combustão interna de ciclo Diesel e de cicloOtto.

A partir de experiências relatadas em outras aplicações semelhantes, notadamente a da

ETE Ambient em Ribeirão Preto, chegou-se a conclusão que a melhor opção, para oaproveitamento do biogás, levando-se em consideração os custos de implantação, operação emanutenção, será a implantação de 2 (dois) moto geradores de ciclo Otto alimentados por biogás.

Para o caso do aproveitamento da biomassa (lodo digerido desidratado), a melhor opção éa implantação de um conjunto de aplicações, quais sejam, a utilização das estufas agrícolasdotadas de secadores/compostadores mecânicos automatizados, secador térmico reutilizando-sea energia gerada pelos gases de escape dos moto-geradores movidos a biogás e um conjuntocomposto por caldeira-turbina a vapor (ciclo rankine) convencional. Por outro lado, a solução setorna ambientalmente correta à luz da nova legislação federal de resíduos sólidos, e mais, no

futuro, permitirá uma gestão integrada dos resíduos sólidos gerados no município, que permitirãoo aumento do aproveitamento energético de outros tipos de biomassa.

Os estudos de viabilidade demonstraram que o projeto é viável em qualquer das situações

testadas. Na hipótese 1, o payback foi de 5 anos e obteve o maior VPL - Valor Presente Liquidoacumulado do projeto, cujo montante foi de R$ 67.542.322,01 (sessenta sete milhões quinhentosquarenta dois mil trezentos vinte dois reais e um centavo). Na hipótese 4, o payback foi de 7 anose obteve-se o menor VPL - Valor Presente Liquido acumulado do projeto, cujo montante foi de R$55.090.289,09 (cinqüenta cinco milhões noventa mil duzentos oitenta nove reais e nove centavos).

Concluindo, o projeto em analise apresentou soluções que atendem ao paradigmaproposto, assim como, atende ao estado da arte em cogeração de energia elétrica, utilizando os






rejeitos da digestão anaeróbica dos esgotos (o biogás e o lodo digerido desidratado); ésustentável; reduz o custo operacional da ETE; se paga num prazo que varia de 5 a 7 anos; e ao

longo de sua vida útil é capaz de gerar receitas para fazer face aos custos necessários para asfuturas ampliação da capacidade de tratamento de esgoto da planta dos atuais 1005 l/s para 1340l/s, utilizando-se do custo evitado na disposição do lodo em aterro sanitário e a redução da contade energia elétrica a ser comprada da concessionária.

9 – Referências

[1] Análise do Aproveitamento Energético do Biogás Produzido numa Estação de Tratamento deEsgoto, Antonio Tavares de França Junior, programa de pós-graduação em engenharia mecânicaárea de concentração em ciências térmicas.

[2] Análise experimental do potencial de geração de biogás em resíduos sólidos urbanos, IngridRoberta de França Soares Alves, Recife, Julho de 2008.

[3] CETESB, http://www.cetesb.sp.gov.br/biogas/biogas/220-pagina-inicial

[4] COSTA, D.F, 2006, “Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás do Tratamento de Esgoto”

[5] BIZZO, W., “EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor”, http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP4.pdf

[6] JORDÃO, Eduardo P. e Pessôa, Constantino A., Tratamento de Esgotos Domésticos, 4ª Edição,Rio de Janeiro: ABES, 932p., 1995.

[7] PECORA, V., 2006, “Implantação de uma Unidade Demonstrativa de Geração de Energia

Elétrica a Partir do Biogás de Tratamento do Esgoto Residual da USP – Estudo de Caso”

[8] CHERNICHARO, C.A.L., ”Princípios do tratamento biológico de águas residuárias- Reatoresanaeróbios”, capiítulo2 - fundamentos da digestão anaeróbica;

[9] SEREC, “Memorial Descritivo e Anexos do Projeto Executivo ETE Rio Preto, Serec”.

[10] WYLEN G.J.V., BORGNAKKE C., SONTANTAG R.E., 2003, “Fundamentos da Termodinâmica”,

6ed. – Editora Edgard Blücher LTDA.

[11] EFICIÊNCIA.ENERGÉTICA,http://www.eficiencia-energetica.com/html/cogeracao/cogeracao.htm

[12] VILLANI et al, “REP-LAB-ETE-001 - Relatório de Ensaio Preliminar Estudo desecagem/compostagem de lodo desaguado puro (LDP) e com serragem a 10% m/m (LS10) nacompostadeira-piloto Killbra - SeMAE, 2011”.

estudo técnico de viabilidade cogeração ee ete rio preto

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