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10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural

11 a 13 de novembro de 2015

Universidade de São Paulo – USP – São Paulo

COGERAÇÃO DE ENERGIA COM BIOGÁS A PARTIR DE LODO BIOLÓGICO

Daniel Barros

1 Fluxo Soluções Integradas – Av. Santa Catarina, 1352 – Vila Mascote – São Paulo/SP

[email protected]

Resumo

A Estação de Tratamento de Esgoto - ETE Arrudas localizada em Sabará-MG obtinha o lodo

como resíduo. Este lodo era acumulado nos biodigestores gerando o biogás que por sua vez

era então queimado diretamente em queimadores. A necessidade do cliente consistia em

aproveitar este gás que era queimado para gerar energia que pudesse ser consumida pela

própria planta de tratamento de esgoto.

A Fluxo Soluções Integradas projetou, forneceu e instalou o sistema para tratamento do

biogás e geração de energia em um projeto que envolveu as disciplinas de mecânica, elétrica,

instrumentação e automação coordenando as atividades de montagem eletromecânica,

comissionamento e startup da planta.

A Potência de geração instalada é de 2.400 KWatts, com fornecimento de Microturbinas,

trocadores de calor, skids de tratamento de biogás. A data da partida foi em 2011 e tivemos

o fornecimento de:

• Projeto para implantação;

• 2 skids de tratamento de biogás com capacidade de 600Nm³/h cada;

• 2 skids chillers para realizar trocas térmicas com o biogás;

• 3 trocadores de calor para coletar o calor gerado pelas turbinas e aquecer o lodo dos

biodigestores;

• 3 microturbinas com capacidade de geração de 800KWatt cada;

• CCM para acionamento dos motores da planta.

Palavras-chave: Cogeração, Biogás, Energia, Biodigestor.

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Abstract

The Sewage Treatment Plant – ETE Arrudas in Sabará-MG got the mud as waste.

This sludge was accumulated in the digesters generating biogas which in turn was then burned

directly in burners. The customer need was to take advantage of this gas was burned to

generate energy that could be consumed by its own sewage treatment plant.

The Fluxo Soluções Integradas has designed, supplied and installed the system for

the treatment of biogas and power generation on a project that involved the mechanical

disciplines, electrical, instrumentation and automation coordinating activities

electromechanical assembly, commissioning and startup of the plant.

The installed power generation is 2,400 KWatts, supplying Microturbines, heat

exchangers, biogas treatment skids. The departure date was in 2011, We supply:

• Project

• 2 skids biogas treatment capacity 600Nm³ / h each.

• 2 skids chillers to perform Thermal exchanges with biogas.

• 3 heat exchangers to collect heat generated by turbines and heat the sludge of

digesters.

• 3 microturbines capable of 800KWatt each generation.

• CCM for operating the plant engines.

Keywords: Cogeneration, Biogas, Energy, Biodigestor.

1. INTRODUÇÃO

O crescimento acelerado da economia mundial resulta em um consumo exagerado dos

recursos naturais, com a consequente elevação na produção de rejeitos nocivos ao meio

ambiente. Uma forma de minimizar tamanha agressão ao meio ambiente é exploração

racional dos recursos naturais, a exemplo da utilização da conservação da energia elétrica.

A energia elétrica é a fonte de produção mais barata e mais limpa que existe, pois não agride

o meio ambiente. Conservar energia elétrica significa combater o seu desperdício, melhorar a

maneira de utilizar a energia, sem abrir mão do conforto e das vantagens que ela proporciona.

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É o mesmo que diminuir o consumo, reduzindo custos, sem perder, em momento algum, a

eficiência e a qualidade dos serviços.

2. Investimento na conservação de energia e preservação ambiental

2.1. A geração de energia

2.1.1. Energia Elétrica + Energia Térmica

Em tempos de escassez de energia elétrica, cresce a procura por uma opção de fonte

de energia que seja abundante, não ofereça riscos de interrupção, que tenha baixo impacto

no meio ambiente e a garantia de uma distribuidora de confiança.

Sistemas convencionais gerando energia elétrica atingem em torno de 30-40% da

energia contida no combustível.

Figura 1. Balanço energético de um Sistema Convencional

A cogeração, por sua vez, é uma forma de gerar calor e eletricidade, que pode ser feita

por meio da queima de um combustível, atingindo uma eficiência global, e em alguns casos

em até 90% comparado com a energia contida no combustível.

Figura 2. Balanço Energético de um Sistema de Cogeração

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O calor que seria dissipado é recuperado dos gases de escape e produz vapor, ar

quente, que podem ser utilizados nos processos industriais e comerciais gerando utilidades

como:

• Aquecimento de água ou outros fluídos;

• Secagem de produtos;

• Aquecimentos de ambientes por meio de ar quente;

• Pré-aquecimento de água de caldeiras;

• Ser enviada para um chiller de absorção para geração de ar frio.

As vantagens

O ganho com eficiência neste sistema proporciona a produção de uma energia elétrica

confiável, com baixo custo, ficando a unidade industrial ou comercial independente da

qualidade de fornecimento do distribuidor de energia. Fato da maior importância para usuários

que necessitam de um abastecimento contínuo e ininterrupto, como hospitais, hotéis,

shopping centers, grandes empreendimentos e indústrias.

Além do alto desempenho, praticamente sem desperdício, a cogeração tem um caráter

descentralizador, porque precisa estar próxima da unidade consumidora. Por isso, o impacto

ambiental é reduzido, já que não há necessidade de linhas de transmissão extensas e suas

consequentes infraestruturas.

2.1.2. Energia Renovável: O Biogás

A utilização do biogás para geração de energia elétrica ou realizar cogeração é uma

solução que reduz os níveis de emissões de gases tóxicos prejudiciais ao meio ambiente

como o metano, e reduz a demanda por recursos naturais esgotáveis, como o gás natural.

Esta já é uma prática em uso, sendo que a inovação trazida pela Fluxo Soluções Integradas

é uma tecnologia de ponta que permite aumento na eficiência energética e redução dos custos

de operação e manutenção.

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A preparação do biogás

Para aumentar o poder calorífico do biogás, e evitar danos aos equipamentos do

sistema de cogeração depois da saída dos biodigestores, o biogás precisa ser seco e ter os

elementos nocivos aos equipamentos removidos, tais como H2S e Siloxanos. A secagem do

biogás é feita por meio do resfriamento com auxílio de um chiller, que provoca a condensação

da umidade contida.

Após a secagem, o gás passa por filtro de carvão ativado, que deve ter sua

especificação definida em função da composição do biogás, de forma a garantir maior

eficiência e vida do elemento filtrante. Ao contrário do que se diz, o tratamento do biogás

proveniente dos digestores é fundamental para qualquer sistema de cogeração/geração, sob

pena de desgaste prematuro, e manutenção excessiva.

Figura 3. Biogás para geração de energia

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2.2. A Estação de Tratamento de Esgoto de Arrudas MG - COPASA

2.2.1 – ETE – Estação de Tratamento de Esgoto

O principal objetivo de uma estação de tratamento de esgoto está na redução do

impacto ambiental, evitando danos ao solo, águas e também ao ar, com o máximo de

eficiência.

Figura 4. Fluxo de funcionamento de ETE

2.2.2 – O Desafio

A ETE da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA) da Bacia do Ribeirão

Arrudas, em Sabará /MG, gera um lodo como resíduo de seu funcionamento. Este lodo era

acumulado nos biodigestores gerando o biogás, que por sua vez, era queimado e

desperdiçado. A necessidade do cliente consiste a em aproveitar este gás que era queimado

para gerar energia que pudesse ser consumida pela própria planta de tratamento de esgoto.

2.2.3 – A Solução

A Fluxo projetou, forneceu e instalou um sistema para tratamento do biogás e geração

de energia em um projeto que produz energia em quantidade suficiente para manter toda a

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ETE de Arrudas em funcionamento. As microturbinas são os equipamentos mais adequados

para estas instalações, por apresentarem baixíssimo nível de emissões, elevada eficiência

energética e de tratamento dos efluentes, quando o calor é aproveitado no aquecimento dos

biodigestores, aumentado a produção de biogás e melhorando o tratamento do lodo.

O sistema criado pela Fluxo Soluções Integradas para a COPASA aproveita o gás

resultante dos resíduos do esgoto para geração de energia elétrica. O biogás liberado nos

digestores é tratado retirando água, siloxanos, particulados, H2S (ácido sulfídrico), entre

outros, e comprimido para ser queimado nas microturbinas, que geram eletricidade e calor. O

calor é aproveitado para aquecer o lodo, que passa a liberar mais biogás.

A conversão do biogás em energia elétrica objetiva a melhoria do desempenho global

do tratamento do esgoto, reduzindo a emissão de gases de efeito estufa, colaborando para

aumentar a eficiência energética da estação de tratamento, e, consequentemente, a

viabilidade do saneamento básico do país. Por conta desse benefício socioambiental, a

COPASA ganhou o Troféu Diamante no Prêmio Nacional da Qualidade de Saneamento.

Figura 5. Skid COPASA de filtragem, compressão e secagem de biogás

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2.4. Os resultados alcançados

Os relatórios emitidos pelo Sistema implantado, demonstram o desempenho atual da Planta.

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2.5. A utilização de microturbinas para geração de energia

2.5.1. Microturbinas.

As Microturbinas queimam de forma limpa: Gás natural, GLP, Biogás descartado em

processos de tratamento de esgotos provenientes de aterros sanitários, da criação de

animais, além de diesel e biodiesel.

A tecnologia possui uma única parte móvel que é sustentada por mancais de “ar”, e

permite o alcance de elevadas rotações sem contato mecânico. Isso que garante uma

eficiência muito elevada, além de uma vida útil incomparável com outras soluções disponíveis

no mercado.

Figura 6. Diagrama da Microturbina Capstone

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Quando utilizada para geração de energia elétrica e térmica, a eficiência ultrapassa os

80%, graças a um projeto customizado, que utiliza até a energia térmica dissipada pelo

gerador no pré-aquecimento do ar para combustão.

2.5.2. Vantagem competitiva.

Não poluente

As turbinas produzem emissões extremamente baixas. Os sistemas da Capstone

Turbine são classificados em menos que nove partes por milhão (ppmvd) de óxidos de

nitrogênio (NOx), quando operando em plena potência a gás natural ou propano, e menos de

35 ppmvd, quando abastecido por diesel ou querosene. As turbinas produzem de 10 a 100

vezes mais NOx por Quilowatt (motores a diesel podem produzir emissões ainda maiores).

Modularidade

As Microturbinas estão disponíveis em várias versões e existem soluções modulares

formadas por múltiplas Turbinas pré-embaladas em um invólucro com uma única interface de

operador e conexões de clientes. Todos os sistemas de Turbinas possuem projetos para

instalações industriais ao ar livre e em áreas classificadas.

Configuração flexível

Este sistema pode ser configurado para operar em conjunto com a rede elétrica: em

modo stand alone, ou em dual mode. Para operação em dual mode, a turbina pode ser

programada para desconectar automaticamente da rede, operar em modo stand alone, e

então rapidamente retornar ao modo de conexão com a rede quando apropriado.

As principais vantagens das microturbinas

• Baixa emissão de NOx;

• Operação com baixo teor de CH4 >35%;

• Baixo índice de manutenção;

• Baixo ruído (75 DBA A 10 m);

• Leve, com ocupação de pouca área;

• Nenhuma vibração;

• Modularidade com unidades a partir de 1 MW;

• Apenas uma parte móvel e mancais de “ar” – Não utiliza óleo lubrificante;

• Refrigerada a ar – não utiliza água.

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Diferente dos motores a explosão, as microturbinas praticamente não apresentam perda

térmica para o ambiente, maximizando a eficiência energética do sistema e reduzindo custos

operacionais. Isso faz com que as microturbinas sejam a melhor opção para soluções como

a cogeração.

Figura 7. Microturbina C1000 - Capstone

Figura 8. Microturbina C1000 – Capstone

3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CAPSTONE. http://www.capstoneturbine.com/technology. 05ou15 – 09h00m

Biogás - Economia, Regulação e Sustentabilidade. Viana De Abreu, Fábio – Editora

Interciência.

Biodigestores - Col. Brasil Agricola - 3ª Ed. 2011 - Editora ICONE

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