2012_3. gestÃo ambiental - anÁlise de viabilidade e dimensionamento de um biodigestor para...

2 SIEF Semana Internacional das Engenharias da FAHOR

Gesto Ambiental: Anlise de viabilidade e dimensionamento de um

biodigestor para gerao de energia eltrica e biofertilizante

Andre Cristiano Pederiva (FAHOR) [email protected]

Thiago Rafael Spillari (FAHOR) [email protected]

Anderson Dal Molin (FAHOR) [email protected]

dio Polacinski (FAHOR) [email protected]

Resumo

A instalao de biodigestores em propriedades rurais est sendo valorizada nos ltimos anos, devido as novas polticas ambientais que esto sendo adotadas pelos governos, bem como as vantagens econmicas que podem ser alcanadas com o uso destes na gerao de energia trmica e eltrica, gerao de biofetilizantes e possvel venda de crditos de carbono. Neste contexto destaca-se que o objetivo do presente trabalho analisar a viabilidade de instalao de um Biodigestor de modelo indiano em uma propriedade rural, para gerao de energia eltrica, trmica e produo de biofertilizantes. Este trabalho se caracteriza por ser um estudo de caso pelo fato de ser baseado em pesquisa de natureza qualitativa, classificada tambm como exploratria e descritiva, onde foram coletadas informaes de uma propriedade rural de Independncia-RS, que possui criao de bovinos de corte. Como principais resultados destaca-se a identificao da necessidade energtica diria, volume de gs necessrio e levantamento de dados para o dimensionar o referido biodigestor.

Palavras-chave: Gesto Aambiental; Biodigestor; Anlise de Viabilidade; Gerao de Energia. 1. Introduo

A constante emisso de gases causadores de efeito estufa, e a melhor utilizao dos recursos energticos esto sendo encarados com maior seriedade pela sociedade e governos, isso exige estudos que refletem o aparecimento de novas tecnologias energticas.

O biodigestor uma tecnologia ja existente de grande potencial tanto na proteo ao meio ambiente quanto como fonte alternativa de energia. Sendo um equipamento capaz de criar o ambiente propricio para a ao das bactrias metanognicas, que realizam um processo natural de decomposio dos resduos orgnicos cujos produtos resultantes so biofertilizantes e biogs (FARRET, 1999; NOGUEIRA, 1986).


O estrume produzido pelos animais tem poder poluente de 4 a 5 vezes maior do que o homem, devido ao lanamento indiscriminado desses dejetos em rios, lagos e solo causa desconforto e doenas populao, alm de degradar o meio ambiente atravs de poluio dos leitos de gua e saturao dos solos pelos componentes qumicos presentes (EMBRAPA, 2000).

Tendo em vista estes dados pode-se entender que o tratamento destes resduos torna-se indispensvel para a crio de animais, sendo que alm de proteger o meio ambiente, se consegue uma fonte alternativa de energia, obterem algum retorno financeiro pela venda de crditos de carbono (ESA, 2007).

Neste contexto o artigo foi elaborado com o objetivo de analisar a viabilidade de construo de um biodigestor modelo indiano, para gerao de energia eltrica para alimentar uma propriedade rural, e consequentemente a gerao de adubo.

O estudo foi realizado em uma propriedade rural no municpio de Independncia RS, sendo que o principal fator analisado foi verificar se a quantidade de bovinos existentes na propriedade, ser suficiente para gerar a quantidade de matria prima necessria para o correto funcionamento do biodigestor.

2. Reviso da Literatura

2.1 Biodigestor

O biodigestor definido como um reservatrio cmara de fermentao fechada, onde matria orgnica biomassa, sofre digesto por bactrias anaerbias, na ausncia total de oxignio. A ao de decomposio da biomassa, pelas bactrias metanognicas, um processo natural de decomposio dos resduos orgnicos cujos produtos so biogs e biofertilizante, tal processo pode apresentar vantagens s propriedades rurais nas reas de gerao de energia e preservao ambiental (FARRET, 1999; NOGUEIRA, 1986).

Segundo Gaspar, 2003 existem vrios tipos de biodigestores, porm os mais difundidos so chineses e indianos. Cada um possui sua peculiaridade, porm ambos tm como objetivo criar condio anaerbica, ou seja, total ausncia de oxignio para que a biomassa seja completamente degradada.

Sendo assim a finalidade dos biodigestores criar um ambiente ideal para o desenvolvimento da cultura microbiana, responsvel pela digesto anaerbica da biomassa (COMASTRI FILHO, 1981).

2.1.1 Histrico

O uso de biodigestores difundiu-se atravs de varias pesquisas, aps a descoberta do gs metano, gerado pela decomposio de restos vegetais confinados. Sendo ento criado em 1939 na cidade de Kampur, na ndia, o


Institute Gobr Gs (Instituto de Gs de Esterco), foi onde surgiu primeira usina de gs de esterco, e seu objetivo principal era tratar os dejetos animais, obter biogs e aproveitar o biofertilizante. Aps a utilizao do biogs na ndia, como fonte de energia, levou a China motivou-se a adotar tal tecnologia a partir de 1958, e em 1972, j possuam aproximadamente 7,2 milhes de biodigestores em atividade (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2008).

Com a chegada da crise energtica em 1973, a implantao de biodigestores passou a ser interessante para pases ricos e terceiro mundo, mas onde a tecnologia mais cresceu foi na China e na ndia (GASPAR, 2003).

No Brasil os biodigestores tambm chegaram junto com a crise energtica, com base em um relatrio tcnico da FAO, a Emater instalou em novembro de 1979, o primeiro biodigestor modelo chins, na Granja do Torto em Braslia (PALHARES, 2008).

No ano de 1979 com a crise do petrleo, o governo buscou a substituio e conservao de derivados de petrleo estimulando a instalao de biodigestores. O governo criou programas de incentivo implantao deste equipamento em fazendas. Na poca, cerca de sete mil biodigestores foram instalados, mas problemas operacionais levaram muitos pecuaristas a abandonar, anos depois a tecnologia (REVISTA DA TERRA, 2007).

2.1.2 Biodigestor Indiano

O uso de biodigestores no recente, em 1900, na cidade de Bombain, havia biodigestores em funcionamento, conferindo a ndia o pioneirismo na produo biogs em grande escala (SGANZERLA, 1983).

O modelo de biodigestor indiano caracteriza-se por possuir uma cmara de fermentao cilndrica, feita em alvenaria e dividida em duas partes por uma parede central. Esta diviso faz com que a biomassa tenha que percorrer dois estgios distintos do processo de fermentao. Possu presso de operao constante, ou seja, medida que o volume de gs produzido no consumido de imediato, o gasmetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a presso no interior deste constante. O fato de o gasmetro estar disposto ou sobre o substrato ou sobre o selo dgua, reduz as perdas durante o processo de produo do gs (DEGANUTTI et al., 2002)

Na Figura 1 pode-se ver um vista em 3D de como construdo o modelo indiano.


Figura 1 Vista em 3D, do biodigestor modelo indiano. Fonte: Deganutti et al., (2002)

A Figura 2, mostra a vista frontal em corte do biodigestor modelo indiano, apresentando os elementos fundamentais para sua construo.

Figura 2 - Biodigestor modelo Indiano Fonte: Deganutti et al., (2002)


Segundo Deganutti et al., (2002) pode-se definir observando a Figura 2 que:

H - a altura do nvel do substrato;

Di - o dimetro interno do biodigestor;

Dg - o dimetro do gasmetro;

Ds - o dimetro interno da parede superior;

h1 - a altura ociosa (reservatrio do biogs);

h2 - a altura til do gasmetro;

a - a altura da caixa de entrada;

e - a altura de entrada do cano com o afluente.

2.1.3 Biodigestor Chins

O biodigestor contnuo modelo Chins foi inspirado no modelo Indiano e houve adaptao do seu projeto para as condies locais da China. O custo foi reduzido eliminando-se o gasmetro mvel, pode ser construdo em alvenaria ou material de construo local, tem o corpo em formato cilndrico com o fundo e o teto em formato de calotas esfricas, tornando seu aspecto construtivo mais difcil que o do modelo Indiano (LIMA, 2008).

O modelo Chins de biodigestor formado por uma cmara cilndrica em alvenaria para a fermentao, com teto abobado, impermevel, destinado ao armazenamento do biogs. Este biodigestor funciona com base no princpio de prensa hidrulica, de modo que aumentos de presso em seu interior resultantes do acmulo de biogs resultaro em deslocamentos do efluente da cmara de fermentao para a caixa de sada, e em sentido contrrio quando ocorre descompresso.

O modelo Chins constitudo quase que totalmente em alvenaria, dispensando o uso de gasmetro em chapa de ao, reduzindo os custos, contudo pode ocorrer problemas com vazamento do biogs caso a estrutura no seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor uma parcela do gs formado na caixa de sada libertado para a atmosfera, reduzindo parcialmente a presso interna do gs, por este motivo as construes de biodigestor tipo chins no so utilizadas para instalaes de grande porte (DEGANUTTI et al., 2002).

Na Figura 3 pode-se ver um vista em 3D de como construdo o modelo Chins.


Figura 3 Vista 3D, em corte, do biodigestor modelo indiano Fonte: Deganutti et al., (2002)

A Figura 4, mostra a vista frontal em corte do biodigestor modelo chins, apresentando os elementos fundamentais para sua construo.

Figura 4 - Biodigestor modelo Chins Fonte: Deganutti et al., (2002)


Segundo Deganutti et al., (2002) pode-se definir observando a Figura 4 que:

D - o dimetro do corpo cilndrico;

H - a altura do corpo cilndrico;

Hg - a altura da calota do gasmetro;

hf - a altura da calota do fundo;

Of - o centro da calota esfrica do fundo;

Og - o centro da calota esfrica do gasmetro;

he - a altura da caixa de entrada;

De - o dimetro da caixa de entrada;

hs - a altura da caixa de sada;

Ds - o dimetro da caixa de sada;

A - o afundamento do gasmetro.

2.2 Biogs

No Brasil, os biodigestores rurais vm sendo utilizados, principalmente, para saneamento rural, tendo como subprodutos o biogs e o biofertilizante.

O biogs um combustvel gasoso com um contedo energtico elevado semelhante ao gs natural, composto, principalmente, por hidrocarbonetos de cadeia curta e linear. Pode ser utilizado para a gerao de energia eltrica, trmica ou mecnica em uma propriedade rural, contribuindo para a reduo dos custos de produo. O desenvolvimento de tecnologias para o tratamento e utilizao dos resduos o grande desafio para as regies com alta concentrao de produo agropecuria, em especial suna e aves (LUCAS JR., 2006).

O biogs um combustvel seguro, no txico, em caso de vazamento se dissipa rapidamente no ambiente evitando o risco de exploso, por ter massa especfica igual a 0,55 kg/m, menor que a massa especfica do ar (1,2 kg/m). Vazamentos em locais fechados expem o organismo humano ao risco de asfixia (NOGUEIRA, 1986).

2.3 Biofertilizante

O material que se encontra no interior da cmara de fermentao, que j foi biodigerido, ser deslocado para caixa de descarga no momento que o sistema for abastecido com nova carga, este material apresenta alta qualidade para o uso agrcola. Esse efluente tem grande quantidade de nutrientes, utilizado, como orgnico, nas lavouras nos sistemas de irrigao. O biofertilizante no possui odores desagradveis, caractersticos dos dejetos que abastecem o biodigestor, isento de micro-organismos patognicos e no


solo favorece a multiplicao de bactrias que fixam o nitrognio. Contribuindo assim para aumentar a produtividade e fertilidade dos solos (SGANZERLA, 1983).

2.4 Sistema de Gesto Ambiental

Segundo ABNT (2006), o Sistema de Gesto Ambiental a parte de um sistema de gesto da organizao voltada para desenvolver e programar sua Poltica Ambiental e gerenciar seus aspectos ambientais. Esse sistema deve ser bem estruturado e integrado com os objetivos da organizao, e deve ter o comprometimento de todos os nveis e funes da organizao. Corazza (2003) complementa ainda que o sucesso na implementao e um sistema de gesto ambiental demanda que sejam tomadas decises nos nveis hierrquicos mais elevados da organizao, enviando uma clara mensagem empresa de que se trata de um compromisso corporativo.

O tratamento da questo ambiental atravs de um sistema fornece para a organizao uma estrutura procedimental capaz de levar efetividade a suas aes ecolgicas (SEIFFERT, 2005). Portanto, a elaborao e implementao de um sistema de gesto ambiental (SGA) se constitui em ferramental estratgico para que consiga, de forma contnua, reduzir os impactos de atividades sobre o meio ambiente, e possa usufruir das vantagens competitivas (KITAZAWA; SARKIS, 2000).

2.5 Biodigestor e o Meio Ambiente

At meados dos anos 70, os dejetos dos sunos no eram constitudos como fator preocupante para o meio ambiente devido a baixa criao de animais confinados e o solo era capaz de absorver os dejetos produzidos. J com o desenvolvimento da suinocultura e com a criao de animais confinados trouxe uma produo em grande quantidade de dejetos que pela falta de tratamento adequado se transformou na maior fonte poluidora dos mananciais de gua (EMBRAPA, 2000).

Os dejetos produzidos pelos sunos tem poder poluente de 4 a 5 vezes maior do que o homem, tendo uma produo diria muito grande de dejees, compostas por esterco, urina, desperdcios de gua de bebedouros ou limpeza, resduos de raes, etc,.. Devido ao lanamento indiscriminado desses dejetos em rios, lagos e solo causa desconforto e doenas populao, alm de degradar o meio ambiente atravs de poluio dos leitos de gua e saturao dos solos pelos componentes qumicos presentes no dejeto (EMBRAPA, 2000).

Tendo em vista estes dados pode-se entender que o tratamento destes resduos torna-se indispensvel para a realizao dessa atividade, sendo que alm de proteger o meio ambiente, se consegue uma fonte alternativa de energia, obterem algum retorno financeiro pela venda de crditos de carbono, com a utilizao dos biodigestores (ESA, 2007).


3. Mtodos e Tcnicas

Este artigo caracteriza-se como estudo de caso, por considerar apenas uma unidade de anlise, no caso uma propriedade rural, no muncipio de Independncia. Neste sentido, conforme Gil (2002), estudo de caso um estudo profundo e exaustivo de um ou poucos objetos, de maneira que permita seu amplo e detalhado conhecimento.

Este estudo tambem de acordo com Lakatos e Marconi (2001), o trabalho caracterizado por ser descritivo, quando busca descrever sistematicamente uma rea de interesse ou fenmeno. Mas pode ser tambm definido como exploratrio, pois procura em sua fase inicial, entender um fenmeno, para depois, poder explicar suas causas e consequncias (GIL, 1999).

A pesquisa ainda tem a caractersticas qualitativas tambm so encontradas no trabalho, que de acordo com Mattar (1999), identifica a presena ou ausncia de algo, no tendo a preocupao de medir o grau em que algo est presente.

Se referindo ao processo de pesquisa, a tcnica de estudo de caso, foi utilizada para a realizao do trabalho, que conforme Gil (1999), apresenta como objetivo a anlise profunda e exaustiva de uma, ou poucas questes, visando permitir o seu conhecimento amplo e detalhado.

No que se refere aos procedimentos metodolgicos, quanto aos tipos de dados, Chizzotti (1995), evidencia-se que os dados foram coletados seguindo as respectivas etapas: reunio de dados diante de documentaes variadas e entrevistas pessoais. Aonde, eles foram considerados da seguinte forma:

a) Os dados primrios foram coletados por meio da realizao de diversas entrevistas no estruturadas-dirigidas, com o proprietrio da propriedade rural (CHIZZOTTI,1995);

b) Os dados secundrios foram obtidos atravs de pesquisa bibliogrfica e documentao temtica, que so documentos e publicaes especializadas, provenientes de materiais informativos j disponveis para a fundamentao terica (GODOY, 1995). Sendo a pesquisa bibliogrfica e a documentao temtica extrada de artigos acadmicos, livros, manuais e sites da internet especializados no tema.

E finalizando os dados coletados tiveram sua anlise feita pela tcnica de anlise de contedo (MINAYO et al., 1994; BARDIN, 1977).

4. Resultados e discusses

O presente trabalho foi realizado em uma propriedade rural localizada no municpio de Independncia-RS, sendo que, o primeiro passo foi realizar uma visita propriedade, e posterior entrevista com o proprietrio com o intuito de estipular necessidade energtica diria, e a quantidade mdia mensal de animais existentes na mesma, a fim de se ter uma mdia mensal de esterco produzido.


O clculo para obter a quantidade de biogs necessrio por dia foi baseado no nmero de moradores, e nos equipamentos existentes na propriedade, sendo que nela residem cinco pessoas, foi feita uma mdia aproximada da quantidade necessria de biogs.

Tabela 1 Necessidade diria de biogs

Cozimento 0,27m/pessoa/dia = 1,35 m Total

Geladeira 2,5m/geladeira/dia = 2,5 m

Lampio 0,12m/lampio/dia = 0,72 m

Motor 5hp 0,4m/HP/hora = 24 m

Ferro de passar 0,12m/ferro/hora = 0,12 m

Necessidade total diria

28,69 m + 10 % (coef. De segurana) =

31 m

Fonte: Adaptado de Medeiros (1999)

Aps a obteno da necessidade diria de biogs foi analisada a quantidade de matria prima (esterco), necessria para a produo dos 31 m de biogs, partindo da premissa de que 25 Kg de esterco produzem 1 m de biogs, foi realizada uma regra de trs para chegar ao valor necessrio.

Fonte: Adaptada de Lucas Junior (1987)

Quadro 1: Quantidade esterco x biogs

Com a aplicao da regra obtivemos um valor de 775 Kg de esterco/dia, para a gerao de biogs necessria, o que foi um valor bem a baixo da quantidade produzida na propriedade. A propriedade tem uma mdia mensal de 100 bovinos, sendo que cada bovino adulto produz uma mdia de 20 Kg/esterco por dia, a propriedade produz 2000 Kg de esterco dirios. Portanto com essas necessidades energticas iremos utilizar apenas 39% da matria prima produzida na propriedade.

Aps a confirmao de haver matria prima em abundncia para o correto funcionamento do biodigestor, o mesmo foi totalmente dimensionado, tendo como ponto de partida o seu volume de gs produzido.

Fonte: Adaptada de Lucas Junior (1987)

Quadro 2: Clculo volume biodigestor

Com base no volume de gs produzido, foi possvel obter o volume total que o biodigestor dever ter, sendo este de 46,5 m. A partir do volume do

25 Kg de esterco bovino produzem

1 m3

de biogs/dia

775 Kg de esterco so produzidos por

total de gs/dia

1,5 m3

de biodigestor produz

1,0 m3

de biogs/dia

46,5 m3

de biodigestor sero produzidos por

31 m3

de biogs/dia


biodigestor foi obtido as suas dimenses, estas expostas abaixo juntamente com suas respectivas frmulas.

Tabela 2

Frmulas e dimenses obtidas para o biodigestor

Fonte: Adaptado de Medeiros (1999)

H = 4,32 m (Altura do biodigestor)

D = 3,7 (Dimetro do biodigestor)

H

r = 4,57m (Altura real)

Vg = (Volume de biogs/dia)/2 Vg = 15,5 m (Volume do gasmetro)

Dg = 4,1 m (Dimetro do gasmetro)

Hug = 4Vg.Dg2 Hug =1,17 m (Altura til do gasmetro)

Hrg

= Hug

+ P + 0,10m Hrg

= 1,42 m (Altura real do gasmetro)

Hp = H

r - H

ug H

p = 3,4 m ( Altura da parede divisria interna)

Parede interna ( selo dagua) Hrg

= 1,42 m (Altura parede selo dagua)

Fossa (largura) Fossa = 0,2 m (Largura da fossa)

Cg = 1,00 + H

rg + H

rg/2 C

g = 3,13 m (Cano guia)

Vcarga

= V/30 Vcarga

= 1,55 m/dia (Volume de diria)

Cd = 4,28 m (Cano descarga)

Cc = C

d +

0,2 C

c = 4,48 m (Cano de carga)

Hr = H

u + P + 0,10

Dg = D

i + 2L + 0,10m


Na Figura 5, est representado esquematicamente um biodigestor modelo indiano cotado com as principais dimenses obtidas atravs dos clculos realizados no presente trabalho.

Figura 5 - Biodigestor indiano proposto, com suas cotas Fonte: Adaptado de Deganutti et al., (2002)

Devido ao seu tamanho relativamente pequeno em comparao aos modelos usados, o biodigestor ser de fcil instalao e de custo no expressivo.

5. Concluses

Com a crescente demanda por fontes alternativas de energia, devido necessidade de um desenvolvimento mais sustentvel da sociedade, que agrida menos o meio ambiente consumindo menos combustveis fsseis, o biogs vem se tornando uma alternativa cada vez mais vivel e limpa de energia.

O uso de biodigestores em propriedades rurais pode trazer uma srie de benefcios para o proprietrio e para o meio ambiente, produzindo biogs atravs de um dejeto animal muitas vezes rejeitado, e tambm gerando


fertilizantes que podem ser usados em diversas culturas. Basicamente de um material que seria descartado possvel se obter energia eltrica, trmica e um fertilizante natural que pode tambm ter um valor comercial.

Este trabalho foi realizado tendo como principal objetivo, o de realizar a anlise de viabilidade de instalao de um biodigestor modelo indiano e posteriormente o seu dimensionamento. Objetivo este que foi alcanado com uma anlise da necessidade energtica da propriedade escolhida, e da quantidade de matria prima disponvel na mesma, quantidade esta que foi estipulada pela mdia de bovinos residentes na propriedade no perodo de um ms.

Como a propriedade tem uma necessidade diria de 31m de biogs, para a sua gerao de energia atravs de um gerador estacionrio de 5hp, e cozimento dos alimentos com a queima do prprio biogs. A partir das anlises realizadas chegou-se a concluso de que para produzir 31m seria necessrio de 775Kg de esterco/dia, mas como na propriedade a produo diria de 2000Kg de esterco, para o perfeito funcionamento do biodigestor sero consumidos apenas 37,8 % da produo diria de esterco, viabilizando a implementao do biodigestor na propriedade, como o seu volume de 46,5 m ele no ir ocupar uma grande rea na propriedade, oferecendo energia limpa e praticamente sem custo, a no ser o de implementao e manuteno dos equipamentos.

Referncias

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