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Estudo Energético, Ambiental e Económico da Valorização Energética de uma Central de Tratamento de Resíduos Sólidos José André Rodrigues Pires Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Prof. Luís Rego da Cunha Eça Orientador: Prof. Luís Manuel de Carvalho Gato Co-Orientador: Prof. João Carlos de Campos Henriques Vogal: Prof. Viriato Sérgio de Almeida Semião Outubro de 2013

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Estudo Energético, Ambiental e Económico da

Valorização Energética de uma Central de Tratamento

de Resíduos Sólidos

José André Rodrigues Pires

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Prof. Luís Rego da Cunha Eça

Orientador: Prof. Luís Manuel de Carvalho Gato

Co-Orientador: Prof. João Carlos de Campos Henriques

Vogal: Prof. Viriato Sérgio de Almeida Semião

Outubro de 2013

iii

Agradecimentos

Agradeço ao professor Luís Gato a orientação, disponibilidade e abertura que ajudaram na realização

deste trabalho.

Quero deixar ainda registado um profundo agradecimento, aos meus pais por me terem

proporcionado a possibilidade de tirar o curso que sempre quis e à Rute pelo apoio e compreensão

ao longo de todo este processo. A todos os meus colegas de curso, principalmente ao Carlos

Ferreira, ao Pedro Nunes, ao Bruno Jorge e ao Márcio Duarte, pelas noitadas no aquário sem as

quais penso que nunca teria chegado até aqui.

iv

Resumo

No presente trabalho apresenta-se um estudo energético, ambiental e económico da valorização

energética de uma central de tratamento de resíduos sólidos sob a forma da valorização energética

do biogás do aterro sanitário.

O sistema de valorização, em estudo, é composto por uma rede de captação de biogás de aterro que

alimenta um motor de explosão de 827kW, obtendo-se energia elétrica e térmica em co-geração.

Os principais objetivos deste estudo consistem num aprofundamento e consolidação de

conhecimentos relativamente à valorização energética do biogás de aterro, por forma a contribuir

para uma otimização deste tipo de sistema.

Neste estudo encontra-se uma análise da estimativa da produção de metano, uma análise da

viabilidade económica do projeto, um estudo da produção de energia no primeiro ano de

funcionamento e um estudo ambiental comparativo entre a emissão do biogás para a atmosfera e a

valorização energética do mesmo.

O trabalho permitiu concluir que este tipo de sistemas de valorização tem um elevado potencial

económico. Quanto ao aterro, em análise, é possível afirmar que, a realização de alguns ajustes

técnicos e operacionais poderá otimizar o sistema de valorização energética do biogás, actualmente,

existente.

Palavras-Chave: Resíduos Sólidos Urbanos, Biogás de Aterro, Metano, Valorização Energética.

v

Abstract

The present work contains an energy, environmental and economic study of the recovery from the

solid waste management plant with a landfill gas energy recovery system.

The system recovery under study consists of a landfill gas network collection feeding a combustion

engine of 827kW, obtaining electricity and thermal energy in cogeneration.

The main objectives of this study consist of a deepening and consolidation of knowledge of energy

recovery from landfill biogas, in order to contribute to an optimization of this type of system.

In this study we have an analysis of the methane production estimation, an economic viability analysis

of the project, a study of energy production in the first year of operation and a comparative study

between direct landfill gas emission and the gas emission from the landfill gas recovery.

The study concluded that such systems have a high appreciation economic potential. As for the

landfill, under analysis, we can say that the performance of some technical adjustments and operating

system can optimize the energy recovery of biogas currently existing.

Keywords: Municipal Solid Waste, Landfill Biogas, Methane, Energy Recovery.

vi

Índice

Agradecimentos ................................................................................................................................... iii

Resumo ................................................................................................................................................ iv

Abstract .................................................................................................................................................v

Lista de gráficos ...................................................................................................................................... ix

Lista de figuras .........................................................................................................................................x

Lista de tabelas ....................................................................................................................................... xi

1 - Introdução .......................................................................................................................................... 1

1.1 - Enquadramento e objetivos gerais do trabalho ....................................................................... 1

1.2 - Problemática dos RSU ............................................................................................................. 2

1.3 - Problemática energética .......................................................................................................... 3

2 - Valorização energética dos RSU ....................................................................................................... 6

2.1- Incineração ................................................................................................................................ 6

2.2- Valorização do biogás derivado dos RSU ................................................................................ 6

2.2.1 - Digestão anaeróbica nos RSU .......................................................................................... 6

2.2.1.1 – Biodigestores nos RSU .............................................................................................. 7

2.2.1.2 - Aterro Sanitário ........................................................................................................... 7

3 - Biogás de aterro ................................................................................................................................. 9

3.1 - Fatores que influenciam a atividade biológica no interior do aterro ........................................ 9

3.1.1 – Humidade ......................................................................................................................... 9

3.1.2 – Temperatura ................................................................................................................... 10

3.1.3 – Composição dos RSU .................................................................................................... 10

3.1.4 – PH ................................................................................................................................... 11

3.1.5 – Distribuição dos RSU no aterro ...................................................................................... 11

3.2 – Composição do biogás de aterro .......................................................................................... 12

3.3 – Estimativa da produção de CH4 nos de aterros sanitários ................................................... 13

3.3.1 – Derivada do modelo de decaimento de primeira ordem (DDPO) .................................. 13

3.3.1.1 – Potencial de produção de CH4 (L0) .......................................................................... 14

3.3.1.2 – Taxa de produção de metano .................................................................................. 16

3.3.2– Modelo de Tchobanoglous .............................................................................................. 16

4 - Drenagem do biogás de aterro ........................................................................................................ 18

4.1 – Sistema de drenagem ativo .................................................................................................. 18

4.1.1 – Furos verticais ................................................................................................................ 20

4.1.2 – Furos horizontais ............................................................................................................ 21

4.2 – Sistema de drenagem passivo .............................................................................................. 21

vii

4.3 – Condensados ........................................................................................................................ 22

5 - Sistemas de gestão do biogás de aterro .......................................................................................... 23

5.1 – Combustão de biogás sem valorização energética .............................................................. 23

5.1.1 – Queimadores abertos ..................................................................................................... 23

5.1.2 – Queimadores fechados .................................................................................................. 24

5.2 – Combustão de biogás de aterro com valorização energética ............................................... 25

5.2.1 – Caldeiras ......................................................................................................................... 25

5.2.2 – Turbinas a gás ................................................................................................................ 26

5.2.3 – Motores de combustão interna de êmbolos alternativos ................................................ 27

6 - Estudo prévio da valorização energética no aterro sanitário do Fundão ......................................... 29

6.1 – Estimativa da produção teórica de metano ........................................................................... 29

6.1.1 – Características dos RSU e do aterro em estudo ............................................................ 29

6.1.2 – Estimativa da produção de CH4 realizado pela EFACEC .............................................. 30

6.1.3 – Aplicação do modelo DDPO ao aterro sanitário do Fundão .......................................... 31

6.1.4 – Produção teórica de CH4 ................................................................................................ 31

6.2 – Impacto ambiental da libertação do biogás para a atmosfera face às emissões resultantes

valorização energética ................................................................................................................... 32

6.3 – Estudo de viabilidade económica.......................................................................................... 34

6.3.1 – Pressupostos económicos .............................................................................................. 35

6.3.1.2 – Receitas ................................................................................................................... 35

6.3.1.3 – Custos ...................................................................................................................... 36

6.3.2- Pressupostos financeiros ................................................................................................. 38

6.3.3- Cash-flow de exploração .................................................................................................. 38

6.3.4- Indicadores de avaliação de investimentos ..................................................................... 39

6.3.4.1- Valor atual líquido ...................................................................................................... 39

6.3.4.2- Taxa interna de rentabilidade .................................................................................... 39

6.3.4- Resultados do estudo de viabilidade económica ............................................................. 39

7 - Sistema de valorização energética do biogás de aterro da RESIESTRELA S.A ............................ 42

7.1 - Sistema de captação do biogás de aterro de RESIESTRELA S.A. ...................................... 42

7.1.1 – Furos de captação de biogás ......................................................................................... 43

7.1.1.1 – Furos Verticais ......................................................................................................... 44

7.1.1.2 – Furos horizontais ..................................................................................................... 46

7.1.2 – Condutas secundárias .................................................................................................... 48

7.2 – Sistema de conversão energética ......................................................................................... 49

7.2.1 – Problemas habituais ....................................................................................................... 50

7.3 – Análise de resultados reais ................................................................................................... 50

7.3.1 - Estudo energético do sistema no dia 30/9/2011 às 19 horas ......................................... 51

viii

7.3.2 – Análise diária da produção real de energia .................................................................... 52

7.3.3 – Análise mensal do caudal de CH4 e da produção de energia elétrica real .................... 53

7.3.4 – Comparação estimativa VS produção real de energia produzida .................................. 55

8 - Otimização do sistema de valorização ............................................................................................. 57

8.1 – Otimização do sistema de captação ..................................................................................... 57

8.2 – Plano de gestão do sistema .................................................................................................. 59

8.3 – Otimização do aproveitamento de energia térmica disponível ............................................. 60

8.3.1 – Tratamento de lixiviados ................................................................................................. 60

8.3.2 – Conversão em energia elétrica....................................................................................... 61

9 – Conclusões ...................................................................................................................................... 62

10 - Referências Bibliográficas .............................................................................................................. 63

ix

Lista de gráficos Gráfico 1 - Produção de RSU nos países da OCDE [6] .......................................................................... 2

Gráfico 2 - Contribuição na produção de energia primária mundial [10] ................................................ 4

Gráfico 3 - Contribuição na produção de energia primária mundial de acordo com as novas políticas

[11] ........................................................................................................................................................... 4

Gráfico 4 - Velocidades de decomposição da matéria degradável [4] .................................................. 10

Gráfico 5 - Taxa de crescimento dos vários tipos de bactérias com a temperatura [17] ...................... 10

Gráfico 6 - Evolução da constituição do biogás de aterro [4] ................................................................ 12

Gráfico 7 - Produção teórica de biogás referente à decomposição da fracção RB e LB [4] ................ 17

Gráfico 8 - Produção teórica de metano Efacec VS FOD_IPCC (CODf=0,77) VS FOD_IPCC

(CODf=0,5) ............................................................................................................................................. 32

Gráfico 9 - Potência disponível VS aproveitada .................................................................................... 36

Gráfico 10 - VAL (€) em função da percentagem de caudal teórico de CH4 ........................................ 40

Gráfico 11 - TIR em função da percentagem de caudal teórico de CH4 .............................................. 40

Gráfico 12 - Energia eléctrica média horária ......................................................................................... 53

Gráfico 13 - Potência elétrica média mensal......................................................................................... 54

Gráfico 14 - Caudal de metano médio mensal ...................................................................................... 54

Gráfico 15 - Previsão da produção de energia para um DOCf de 0,55 ................................................ 56

x

Lista de figuras

Figura 1 - Biodigestores CVO Valorlis [15] .............................................................................................. 7

Figura 2 - Bio reactor [4] .......................................................................................................................... 8

Figura 3 – Ventilador (Booster) do objeto de estudo ............................................................................ 19

Figura 4 - Sistema de drenagem activa com furos verticais [4] ............................................................ 19

Figura 5 - Sistema de drenagem ativa furos horizontais [4] .................................................................. 19

Figura 6 - Configuração típica furo vertical ........................................................................................... 20

Figura 7 - Furo Horizontal ...................................................................................................................... 21

Figura 8 - Queimador aberto [22] .......................................................................................................... 24

Figura 9 - Queimador fechado [22] ....................................................................................................... 24

Figura 10 – Configuração de caldeiras consoante o que se produz [25] .............................................. 25

Figura 11 - Turbina a gás simples, aberta para a atmosfera com compressão do gás [4] ................... 26

Figura 12 - Motor MWM 2016 V16 [27] ................................................................................................. 27

Figura 13 - Rede de captação de biogás .............................................................................................. 42

Figura 14 - Poço de condensados ........................................................................................................ 43

Figura 15 - Sistema para drenagem de lixiviados dos furos ................................................................. 44

Figura 16 - Furo vertical ........................................................................................................................ 45

Figura 17 - Configuração do furo horizontal .......................................................................................... 46

Figura 18 - Terminal da conduta horizontal localizado à cota mais baixa ............................................ 47

Figura 19 - Terminal da conduta horizontal localizado à cota mais elevada ........................................ 47

Figura 20 - Nivelamento das condutas secundárias ............................................................................. 48

Figura 21 - Diagrama genérico de funcionamento do grupo ................................................................. 49

Figura 22 - Permutador de Placas (Resiestrela) ................................................................................... 50

Figura 23 - Colector de biogás [32] ....................................................................................................... 57

Figura 24 - Conduta principal de drenagem de biogás (Resulima) ...................................................... 58

Figura 25 - Cabeça de um furo vertical com ligação flexível (Resulima) .............................................. 58

Figura 26 - Sistema para purgar os condensados das condutas de biogás (Resulima) ...................... 59

Figura 27 – Diagrama de fluxo simplificado (Bujitenen, 2009) [34]....................................................... 61

xi

Lista de tabelas

Tabela 1 – Biodegradação dos resíduos orgânicos [18] ....................................................................... 11

Tabela 2 - Percentagens volumétricas dos principais constituintes do biogás de aterro [4] ................ 12

Tabela 3 - Períodos das fases de decomposição [18] .......................................................................... 13

Tabela 4 - Fracção de carbono degradável por tipo de resíduo ........................................................... 15

Tabela 5 - Factor de correcção de metano [20] .................................................................................... 15

Tabela 6 - Valores por defeito para a taxa de produção de metano [21] .............................................. 16

Tabela 7 - Motores a biogás MWM ....................................................................................................... 28

Tabela 8 - Composição húmida dos RSU depositados no aterro do Fundão [28]................................ 30

Tabela 9 - Deposição anual de RSU no aterro sanitário do fundão [28] .............................................. 30

Tabela 10 - Parâmetros utilizados na estimativa de produção de metano para o aterro sanitário do

Fundão................................................................................................................................................... 31

Tabela 11 - Parâmetros utilizados no programa descrito no subcapítulo 3.3.1 .................................... 31

Tabela 12 - Caracterização do biogás de aterro sanitário do Fundão [29] ........................................... 33

Tabela 13 - Caracterização gases de escape ....................................................................................... 34

Tabela 14 - Investimento inicial ............................................................................................................. 37

Tabela 15 - Custos anuais de manutenção........................................................................................... 37

Tabela 16 - Rendimento eléctrico do grupo em função da carga ......................................................... 41

Tabela 17 - Valores para o estudo energético referente ao dia 30 de Setembro de 2011 às 19 horas 51

Tabela 18 – Potências do sistema de co-geração ................................................................................ 52

1

1 - Introdução

1.1 - Enquadramento e objetivos gerais do trabalho

O presente trabalho surgiu no âmbito do Estágio Profissional realizado na Empresa Efacec, unidade

de Ambiente, Divisão dos Resíduos.

Atendendo à atual forte aposta da Efacec na área da valorização de resíduos sólidos urbanos

(RSU) e ao elevado potencial de aplicabilidade da valorização energética dos RSU, realizou-se um

estudo de caso do sistema de valorização do biogás de aterro, no aterro sanitário da Central de

Tratamento de Resíduos Sólidos do Fundão - Resiestrela, S.A.. O sistema, em estudo, consiste

numa rede de captação de biogás de aterro que alimenta um motor de explosão de 827kW,

produzindo-se energia elétrica e térmica em co-geração.

Nos últimos anos, tem-se vindo a assistir a um progressivo aumento da produção de RSU [1] nos

países da OCDE, e associado a este aumento surgiu a necessidade de criar sistemas de gestão

de RSU que minimizem a produção dos mesmos, bem como os impactes ambientais e perigos

para a saúde pública daí advenientes.

Atualmente, a maior parte dos países desenvolvidos, responde ao supracitado problema

recorrendo à deposição em aterros sanitários dotados de sistemas de captação de biogás e

drenagem de lixiviados1, por forma a minimizar os impactes ambientais a estes associados.

O biogás de aterro é um dos produtos resultantes da digestão anaeróbia que ocorre no interior dos

aterros. Este gás possui, frequentemente, uma percentagem volumétrica de metano (CH4) superior

a 50% [2-4], o que confere ao biogás de aterro, um elevado potencial energético, com

consequências negativas sobre o efeito estufa 20 vezes superior à mesma massa de dióxido de

carbono (CO2). [2, 3]

A valorização energética do biogás de aterro surge como uma excelente alternativa na gestão do

biogás de aterro, uma vez que a partir da sua combustão é possível minimizar o impacte ambiental

deste gás na atmosfera com a produção simultânea de energia.

A presente dissertação é constituída pelos seguintes capítulos:

Capítulo 1 - Enquadramento e objetivos gerais do trabalho, problemática dos RSU, do

aquecimento global e dos combustíveis fósseis.

Capítulo 2 - Valorização energética dos RSU.

Capitulo 3 - Biogás de aterro.

Capítulo 4 - Drenagem do biogás de aterro.

Capítulo 5 - Sistemas de gestão do biogás de aterro.

Capítulo 6 - Estudo prévio da valorização energética no aterro sanitário do Fundão.

1 Os lixiviados resultam da infiltração de água no aterro, principalmente água da chuva, que uma vez em

contacto com os resíduos, origina a lixiviação de contaminantes dos RSU e da própria humidade existente nos RSU, formando uma substância escura, altamente tóxica.

2

Capítulo 7 - Sistema de valorização energética do biogás de aterro da RESIESTRELA S.A.

Capítulo 8 - Optimização do sistema de valorização.

Capítulo 9 – Conclusões.

1.2 - Problemática dos RSU

Segundo o Decreto-Lei n.º178/2006, de 5 de Setembro, resíduo é qualquer substância ou objeto de

que o detentor se desfaz ou tem a intenção ou a obrigação de se desfazer, onde se incluem os

resíduos urbanos, provenientes de habitações bem como outros que, pela sua natureza ou

composição, sejam semelhantes aos resíduos provenientes de habitações.

O problema dos resíduos sólidos não é recente. Na verdade, segundo Russo [5] é tão velho quanto a

humanidade e tem vindo a agravar-se ao longo dos tempos. Posto isto, tem-se vindo a assistir a uma

clara aposta no incentivo à reciclagem e na criação de sistemas, cada vez mais eficientes, no que diz

respeito à separação e valorização de materiais presentes nos RSU. Entre as estratégias mais

comuns na valorização dos RSU, destacam-se as centrais de tratamento mecânico biológico (TMB2)

que podem estar associadas a valorização energética, as incineradoras e os aterros sanitários.

Das estratégias acima referidas a deposição em aterro, apesar de ser a estratégia mais comum por

todo o mundo, é, incontestavelmente, a mais prejudicial para o nosso planeta, uma vez que para além

de se estar a enterrar diversos materiais passíveis de valorização, a matéria orgânica, presente nos

RSU, origina biogás e lixiviados, bastante prejudiciais para o nosso meio ambiente.

Segundo dados estatísticos e previsões da European Environment Agency (EEA) [6], a geração de

RSU nos países pertencentes à OECD tem vindo e continuará a aumentar de ano para ano, como

podemos verificar no gráfico 1.

Gráfico 1 - Produção de RSU nos países da OCDE [6]

2 Habitualmente dotadas de um sistema de compostagem para a matéria orgânica.

0

200

400

600

800

1000

1960 1980 2000 2020 2040

Ano

Produção de RSU

Total [milhõesde toneladas]Per capita[kg/pessoa.ano]

3

Portugal segue esta tendência, tendo em 2009 tido uma produção de RSU por capita de 517

kg/hab/ano, produção ligeiramente superior à média dos países da Europa dos 27 (EU-27), que

atingiu uma produção média de 512 kg/hab/ano no mesmo ano [7].

O mesmo já não se verifica relativamente à quantidade de RSU depositada em aterro, uma vez que,

de acordo com os dados do EUROSTAT-2008, Portugal atingiu uma taxa de deposição de cerca de

65%, valor muito superior à taxa média de deposição nos EU-27 que em igual período se situava nos

40% [8].

1.3 - Problemática energética

Com a melhoria das condições de vida e da população mundial, para além do já referido aumento da

produção de RSU, aumentaram também as necessidades energéticas, suportadas em grande parte

pelos combustíveis fósseis.

Este facto remete-nos para a verdadeira problemática energética: a dependência dos combustíveis

fósseis e as consequências económicas e ambientais que dai advêm.

Relativamente às consequências económicas, verifica-se que os países compradores possuem uma

indesejada dependência externa dos países produtores. Esta dependência, sobejamente conhecida e

histórica, tem resultado numa instabilidade geopolítica que conduz a crises económicas e

humanitárias. A supracitada distribuição não equitativa, agregada a reservas limitadas, favorece um

aumento de preços (e.g. taxas de juro e inflação), resultando num crescimento económico menor e

numa consequente diminuição da procura por particulares e empresas [9].

Por outro lado, a par das consequências económicas, existem as consequências ambientais, que

advêm do facto da utilização dos combustíveis fósseis ser feita, maioritariamente, por processos de

combustão, cujos resultados são nocivos para o meio ambiente (e.g. CO2), comprometendo,

gravemente o bem-estar das gerações futuras através do aparecimento e crescimento de catástrofes

ambientais, tais como o aumento das temperaturas e consequente degelo, a acidez dos solos e o

nevoeiro fotoquímico [9]

Assim, dadas as consequências inerentes à utilização dos combustíveis fósseis, urge a necessidade

de investir em políticas de racionalização de energia, sistemas de conversão de energia mais

eficientes e em formas alternativas de produção de energia.

De entre as alternativas para a produção de energia, atualmente, destacam-se as energias

renováveis, como é o caso da energia eólica, hídrica, solar, das ondas, das marés, biomassa,

geotérmica, entre outras.

A nível mundial, as energias renováveis começam, cada vez mais, a ter um papel importante na

produção de energia, e segundo as previsões da International Energy Agency (IEA) a tendência tende

a manter-se nos próximos anos, como podemos verificar no gráfico 2.

4

Gráfico 2 - Contribuição na produção de energia primária mundial [10]

Portugal é um País sem recursos fósseis como o petróleo, o carvão e o gás natural. Esta escassez

conduz a uma elevada dependência energética do exterior (76,7% em 2010), nomeadamente das

importações de fontes primárias de origem fóssil. A taxa de dependência energética tem vindo a

decrescer desde 2005, apesar de ter sofrido um ligeiro agravamento no ano de 2008 relativamente a

2007 [11], como é possível verificar no gráfico 3.

Gráfico 3 - Contribuição na produção de energia primária mundial de acordo com as novas políticas [11]

No presente trabalho, destacar-se a valorização do biogás de aterro.

Este tipo de valorização tem vindo a crescer nos últimos anos, como consequência da substituição

das antigas lixeiras pelos aterros sanitários. Estes últimos, presentemente, encontram-se dotados de

sistemas de captação e combustão de biogás, com o objetivo de minimizar o impacte ambiental

associado à emissão do biogás para atmosfera. Em Portugal, no universo da Empresa Geral do

5

Fomento (EGF3), onde se inclui a Resiestrela, encontram-se instalados cerca de 23,6 MW em

sistemas de valorização energética de biogás de aterro [12].

Deste modo, depreende-se, que a valorização energética do biogás de aterro contribui para uma

modesta redução da atual dependência dos combustíveis fósseis, podendo vir a ganhar mais

expressão num futuro próximo.

3 A EGF é responsável por assegurar o tratamento e valorização dos resíduos gerados por cerca de

60% da população portuguesa

6

2 - Valorização energética dos RSU

A valorização energética de RSU engloba qualquer processo em que o subproduto útil, energia

mecânica e ou térmica, é obtido a partir dos RSU. Entre os processos mais habituais de valorização

energética dos RSU encontra-se a incineração e a valorização do biogás proveniente da matéria

orgânica presente nos RSU.

2.1- Incineração

A incineração de RSU consiste na combustão direta dos RSU, reduzindo drasticamente o seu volume

com produção simultânea de energia térmica e/ou eléctrica.

Existem vários tipos de incineradoras (sistemas de queima). No entanto, no que concerne à

recuperação de energia, o sistema consiste, habitualmente, na geração de vapor, para posterior

utilização térmica e/ou produção de energia elétrica por intermédio de turbinas a vapor.

Recentemente, o crescimento deste tipo de sistemas tem vindo a abrandar, fruto das políticas que

visam e fomentam a reciclagem e a reutilização de forma sustentável. Não obstante, continua a ser

uma tecnologia importante na gestão dos RSU dos grandes centros urbanos que possuem aterros

localizados a grandes distâncias [4].

2.2- Valorização do biogás derivado dos RSU

Um dos principais constituintes dos RSU é a matéria orgânica, que uma vez em condições

anaeróbias, resulta na síntese de biogás. Atualmente podem identificar-se, dois tipos de biogás

com origem nos RSU, o biogás proveniente dos biodigestores e o biogás proveniente dos aterros

sanitários.

O biogás quando em quantidades apropriadas é, habitualmente, utilizado diretamente como

energia química em sistemas de conversão de energia, podendo também ser tratado e utilizado

como combustível (gás natural).

2.2.1 - Digestão anaeróbica nos RSU

A digestão anaeróbia consiste na decomposição da matéria orgânica, na ausência de oxigénio e

tradicionalmente tem sido utilizada como um processo para tratamento de resíduos líquidos com

ou sem resíduos sólidos suspensos, como, adubos, águas residuais domésticas ou industriais,

entre outros. Contudo, as elevadas quantidades de resíduos agrícolas e municipais, despertaram

a atenção de alguns especialistas em digestão anaeróbia para esta fonte abundante de matéria

orgânica com elevado potencial de produção de biogás.

7

A digestão anaeróbia é caracterizada por uma sucessão de reações complexas e interdependentes

que, de forma muito sintética, pode ser descrita por 4 fases principais: hidrólise, acidogénese,

acetogénese e metanogénese [13].

Hidrólise - Solubilização de hidratos de carbono, proteínas e lípidos em açúcares e

aminoácidos.

Acidogénese - Conversão dos açúcares e dos aminoácidos em ácidos gordos voláteis

(AGV).

Acetogénese - Os AGV são oxidadas e dão origem a acetatos H2, CO2.

Metanogénese - O metano é obtido por duas vias principais, reacção do H2 com o CO2

provenientes de reacções anteriores originando o CH4 e a conversão dos acetatos em CH4

e CO2.

2.2.1.1 – Biodigestores nos RSU

Os biodigestores para RSU surgem como uma solução no tratamento da fracção fina/orgânica

proveniente dos RSU. Estes consistem em volumes fechados, como é possível verificar na Figura 1,

onde se estabelece um ambiente anaeróbio com elevado teor de humidade, onde é introduzida a

matéria a tratar, resultando na produção de composto e de biogás [14].

Figura 1 - Biodigestores CVO Valorlis [15]

2.2.1.2 - Aterro Sanitário

Os aterros sanitários consistem em espaços amplos que se destinam à receção de grandes volumes

de RSU podendo ser considerados verdadeiros bio reatores, na medida em que a matéria orgânica

presente nos RSU sofre diversas bio reações, gerando o biogás e lixiviados.

Os aterros sanitários possuem um sistema de impermeabilização que envolve todo o volume de RSU

depositado, possibilitando a captação do biogás e dos lixiviados para posterior tratamento,

minimizando os impactes ambientais a estes associados.

8

O tratamento do biogás consiste na sua combustão controlada com ou sem valorização energética.

Já os lixiviados são tratados em estações de tratamento de águas lixiviantes (ETAL). Atualmente

existem diversas estratégias no que concerne à gestão de aterros sanitários. Estas caracterizam os

diferentes tipos de aterros sanitários, como são descritos em seguida [16]:

Reator convencional – captação e tratamento do biogás e dos lixiviados.

Bio reator – captação e tratamento de biogás e de lixiviados com recirculação de lixiviados

(ver Figura 2).

Bio reator com lavagem – captação e tratamento de biogás e de lixiviados com recirculação

de lixiviados e com introdução de água.

Bio reator semi-aeróbio – captação e tratamento de biogás e de lixiviado com injeção de ar

numa segunda fase.

A recirculação de lixiviado é normalmente utilizada para garantir a humidade no interior do aterro,

acelerando o processo de decomposição da matéria orgânica. A introdução de água na recirculação

de lixiviados tem por objetivo a lavagem de contaminantes solúveis presentes nos RSU, e a injeção

de ar, por sua vez, tem como finalidade a rápida estabilização da matéria orgânica presente nos RSU,

quando a valorização do biogás de aterro já não é viável.

Figura 2 - Bio reactor [4]

9

3 - Biogás de aterro

Como já referido, anteriormente, o biogás de aterro é um gás que resulta da decomposição anaeróbia

da fração orgânica presente nos RSU depositados em aterro sanitário. A sua composição vai

variando ao longo do processo de decomposição, destacando-se a produção de CH4 e do CO2, que

representam em conjunto mais de 95% do volume de biogás. A produção/constituição do biogás

encontram-se, fortemente, ligadas a fatores que influenciam a atividade biológica que se desenrola no

interior do aterro.

3.1 - Fatores que influenciam a atividade biológica no interior do

aterro

Existem diversos fatores que influenciam a atividade biológica no interior do aterro, dos quais é

possível destacar a humidade, a temperatura, a composição dos RSU, a distribuição dos RSU no

aterro e o PH.

3.1.1 – Humidade

A humidade no interior do aterro é um fator determinante na produção de biogás de aterro,e conforme

referido por Russo (2005) [17]: segundo Tchobanoglous e Kreith [4] o teor ótimo de humidade

encontra-se entre os 45 e os 60%. Outros autores fazem referência a um teor mínimo de humidade

abaixo do qual consideram que não há metabolismo: para Schulze (1961); Haug (1993); e Palmisano

e Barlaz (1996), citados por Russo, 2005, esse limite mínimo encontra-se entre os 10 e os 20%. Para

Buivid et al. (1981), Nobre et al. (1988) e Gurijala e Suflita (1993), citados por Russo (2005) esse

limite mínimo encontra-se entre os 25 a 30% [17]. Esta humidade mínima corresponde à quantidade

de água vital aos microrganismos ativos da degradação. Pode ser considerada como sendo uma fina

película de água que envolve as partículas sólidas da matriz porosa necessária à mobilidade e à

difusão das bactérias.

Por outro lado, uma elevada humidade, próxima da saturação, revela-se inibidora das reações de

degradação (Russo, 2005), em parte devido à grande diluição das bactérias no meio aquoso, o que

torna menos eficazes as suas ações sobre o substrato sólido e, consequentemente, diminuiria a

produção de biogás. No gráfico 4, encontram-se representadas duas curvas de velocidade de

decomposição da matéria biodegradável, uma com teor de humidade adequado e outra com teor de

humidade desadequado. O teor de humidade revela-se assim um parâmetro de extrema importância

na decisão do sistema de gestão a implementar nos aterros sanitários, podendo a humidade ser

manipulada a partir da recirculação de lixiviados e da introdução de água, como já referido

anteriormente.

10

Gráfico 4 - Velocidades de decomposição da matéria degradável [4]

3.1.2 – Temperatura

A importância da temperatura na produção de biogás está associada à natureza das populações

microbianas ativas durante a degradação dos resíduos e, consequentemente, à definição da

velocidade das cinéticas bioquímicas. O nível térmico atingido pelo meio conduz à classificação de

populações bacterianas em três tipos: criofílicas, mesofílicas e termofílicas.

As temperaturas observadas no interior dos aterros indicam que a actividade biológica que ocorre no

interior dos mesmos deve-se, essencialmente, à atividade das bactérias mesofílicas e termofílicas.

Para cada uma destas populações existe um intervalo ótimo de temperatura para se estabelecer a

metanogénese, fora da qual as reações de degradação podem ser completamente inibidas. No

gráfico 5 encontram-se representadas, segundo Biddlestone et al. (1981) referido por Russo (2005)

[17] as gamas de temperatura correspondentes à taxa de crescimento de cada um dos tipos de

bactérias acima indicadas, mostrando ainda que a temperaturas superiores a 65°C e inferiores a 0ºC,

os processos metanogénicos são inibidos.

Gráfico 5 - Taxa de crescimento dos vários tipos de bactérias com a temperatura [17]

3.1.3 – Composição dos RSU

A constituição dos resíduos e a sua biodegradabilidade são os fatores chave quanto ao potencial de

produção de CH4 no interior dos aterros. Quanto maior for a fração biodegradável, mais elevada é a

produção de biogás.

11

De acordo com as velocidades de degradação, de cada constituinte da matéria biodegradável, é

possível classificá-los como rapidamente biodegradáveis (RB) e lentamente biodegradáveis (LB),

conforme é possível constatar na tabela 1 (Tchobanoglous (1994)).

Componentes de Resíduos Orgânicos RB LB

Restos alimentares X

Papel de jornal X

Papel de escritório X

Papelão X

Plástico4

Têxteis X

Borracha X

Couro X

Resíduo de jardim X5

X6

Madeira X

Orgânicos variados X

Tabela 1 – Biodegradação dos resíduos orgânicos [18]

3.1.4 – PH

Habitualmente, o pH ótimo encontra-se bem definido para cada espécie de bactérias, ou seja

diferentes espécies toleram diferentes valores de pH. Porém, para o seu correto desenvolvimento

num meio ácido ou básico, um microrganismo deve ser capaz de manter o seu pH intracelular em

torno de 7,5, independentemente, do valor do pH do meio externo.

Para contornar esse problema de grande variação de pH do meio, a célula microbiana possui a

propriedade de ceder ou absorver iões de hidrogénio ao meio externo, de tal modo que este é

alterado para valores dentro do seu intervalo de tolerância, evitando assim a morte (auto-regulação

do meio).

Segundo Farquahr e Rovers (1973); Tchobanoglous et al. (1993); Riester (1994) e Lambert (1997),

citados por Russo (2005) [17], o pH ótimo para a fermentação metanogénica situar-se-ia em volta da

neutralidade, entre 6.8 e 7.2. Os valores de pH demasiado ácido nos resíduos (pH <5.5) podem

tornar-se inibidores para as reações de metanogénese.

3.1.5 – Distribuição dos RSU no aterro

A produção de biogás no aterro não é igual em todas as zonas do aterro; esta varia não só devido a

pequenas variações na constituição da matéria biodegradável mas, principalmente, devido aos

supracitados fatores que possuem características não uniformes por todo o aterro. Esta diferença de

características varia, sobretudo, com a profundidade a que o substrato se encontra da superfície.

4 O plástico, geralmente, é considerado não degradável.

5 Folhas e recortes de relva. Normalmente 60% dos resíduos de jardim são considerados como rapidamente

biodegradáveis. 6 Porções lenhosas de resíduos de jardim.

12

3.2 – Composição do biogás de aterro

O biogás de aterro compreende, essencialmente, dois tipos de gases: os gases principais e os gases

residuais. Os gases principais são constituídos, principalmente, por gases resultantes da

decomposição da fração de matéria orgânica presente em aterro. Por sua vez, os gases residuais

são, fundamentalmente, gases provenientes do lixo e gases produzidos por reações bióticas e

abióticas.

Entre os gases principais destacam-se a amónia (NH3), o dióxido de carbono (CO2), o hidrogénio (H2),

o sulfureto de hidrogénio (H2S), o metano (CH4), o azoto (N2) e o oxigénio (O2), gases que, segundo

Ham et al. (1979), Lang et al. (1987) e Parker (1983), referidos por Tchnobanoglous & Kreith, 2002

[4], possuem uma concentração volumétrica como se descreve na tabela 2.

Gás principal Percentagem volumétrica

CH4 45-60

CO2 40-60

N2 2-5

O2 0,1-1

NH3 0,1-1

H2S 0-1

H2 0-0,2

Tabela 2 - Percentagens volumétricas dos principais constituintes do biogás de aterro [4]

Segundo vários autores, a produção do biogás de aterro pode ser caracterizada por 5 fases de

acordo com o estado de decomposição da matéria conforme podemos verificar no gráfico 6.

(Farquhar e Rovers, 1973; Parker, 1983; Pohland, 1987 e Pohland, 1991) [4].

Gráfico 6 - Evolução da constituição do biogás de aterro [4]

Como é possível verificar na tabela 3, a quarta e quinta fases de decomposição da matéria

biodegradável são as fases mais importantes no que diz respeito à produção de metano.

13

Fases Intervalo de duração de fases

I Algumas horas a 1 semana

II 1 mês a 6 meses

III 3 meses a 3 anos

IV 8 anos a 40 anos

V 1 ano a 40 anos

Tabela 3 - Períodos das fases de decomposição [18]

3.3 – Estimativa da produção de CH4 nos de aterros sanitários

Existem vários modelos que permitem estimar a produção teórica de metano nos aterros sanitários. A

produção total e a taxa de produção de metano pode variar de acordo com modelo; no entanto, todos

os modelos têm por base a quantidade de material biodegradável presente nos RSU depositados,

que é, irrepreensivelmente, o fator mais importante na produção de biogás.

No presente trabalho, a estimativa da produção teórica de metano realizar-se-á recorrendo à derivada

do modelo de decaimento de primeira ordem (DDPO) [19].

3.3.1 – Derivada do modelo de decaimento de primeira ordem

(DDPO)

Um dos métodos mais comuns na literatura para estimar a emissão de CH4 proveniente dos RSU

depositados em aterro é o FOD (First Order Decay) expresso pela equação 3.1. Este método assume

que a produção de biogás de aterro será mais intensa no período imediatamente após a deposição

dos RSU em aterro, ocorrendo um posterior decréscimo de produção (decaimento de 1ª ordem) à

medida que a disponibilidade de carbono orgânico degradável vai diminuindo. Dada a disponibilidade

de dados referentes ao aterro em estudo, a estimativa da produção de CH4 será realizada recorrendo

à derivada do modelo de decaimento de primeira ordem em ordem a t, com t igual a (T-x). Assim t

passa a representar o tempo que uma determinada massa se encontra em aterro, permitindo uma

estimativa anual da produção de CH4, recorrendo à equação 3.2, segundo a referência [19].

(3.1)

– Produção anual de CH4 [m

3/ano]

L0 – Potencial de produção de CH4 [m3/TonRSU]

R – Quantidade média anual da deposição de RSU [TonRSU/ano]

K – Taxa de produção de metano [ano-1

]

c – Data de encerramento do aterro sanitário [ano]

t – Data de início de deposição [ano]

14

(3.2)

– Produção de metano no ano (T) referente aos resíduos depositados no ano (x) [Ton/ano]

x – Ano de deposição dos resíduos [ano]

Rx – Quantidade de resíduos depositados no ano x [Ton]

T – Ano de inventário [ano]

3.3.1.1 – Potencial de produção de CH4 (L0)

O L0 depende, essencialmente, da composição dos RSU. Os valores de L0 podem variar bastante,

tomando, habitualmente, um valor compreendido entre 100 e 200 m3/Ton. No entanto o seu valor

pode ser calculado de acordo com a metodologia apresentada pelo IPCC (2006), pela equação que

se segue:

(3.3)

DDOCm - massa de carbono orgânico degradável [Ton], calculado a partir da equação 3.4

F - Fração em volume de metano no biogás

A fração volumétrica de metano é obtida através de medições realizadas no aterro em questão,

embora, na impossibilidade da referida medição segundo o IPCC (1996) [19], este parâmetro possa

tomar o valor de 0,5 por defeito.

16/12 - Fator de conversão de carbono em metano [TonCH4/ TonC]

- Massa específica do metano [kg/m3]

(3.4)

COD - Carbono orgânico degradável (Ton de C/ Ton de RSU), obtido pela equação 3.5

CODf - Fração de COD que se decompõe

FCM - Fator de correcção de metano

Segundo IPCC (2006) o valor COD pode ser estimado a partir da equação

∑ (3.5)

CODi – Fração de carbono degradável do tipo de resíduo i (base húmida)

Wi – Fração do tipo de resíduo i (base húmida)

Os valores de W i dependem da composição dos RSU em questão e os valores de CODi segundo

IPCC (2006), por defeito tomam os valores indicados na tabela 4.

15

Componente do RSU CODi

[%]

COD1 - Papel/cartão 40

COD2 - Têxteis7 24

COD3 - Resíduos alimentares 15

COD4 - Madeiras 43

COD5 - Resíduos de jardins e parques 20

COD6 - Fraldas 24

COD7 - Borracha e couro 39

Tabela 4 - Fracção de carbono degradável por tipo de resíduo

O valor CODf, segundo IPCC (1996) [19], pode ser estimado recorrendo a uma correlação com a

temperatura no interior do aterro, equação 3.6 com T [°C], tomando o valor de 0,77 para a

temperatura usual no interior do aterro que é de cerca de 35 °C. Por outro lado, o IPCC (2006) [20]

refere que, por defeito, o CODf deverá tomar o valor de 0,5. Assim, aquando dos resultados reais de

produção, este parâmetro será reajustado de modo a obter uma estimativa de produção de biogás o

mais real possível, embora seja um valor meramente indicativo.

(3.6)

O FCM é um parâmetro que varia de acordo com as condições de disposição dos RSU, tomando em

consideração se o resíduo é depositado de forma adequada, tomando o valor de acordo com a tabela

5.

Tipo de deposição FCM

Controlado- Anaeróbico8

1

Controlado- Semi-aeróbico9

0,5

Inadequado- profundo10

0,8

Inadequado- raso11

0,4

Desconhecido 0,6

Tabela 5 - Factor de correcção de metano [20]

7 Assume-se que 40% dos têxteis são sintéticos.

8 Aterro com cobertura impermeável, compactação mecânica e nivelamento de RSU.

9 Aterro com cobertura permeável, drenagem de lixiviados, sistema de ventilação de gases.

10 Aterro que não se enquadra nos aterros controlados, com profundidades superiores a 5 metros.

11 Aterro que não se enquadra nos aterros controlados, com profundidades inferiores a 5 metros.

16

3.3.1.2 – Taxa de produção de metano

A taxa de produção de metano, K, está relacionada com as condições a que os RSU estão sujeitos

no interior do aterro, existindo uma relação entre K e a decomposição da matéria orgânica,

nomeadamente o tempo necessário até a quantidade de carbono orgânico degradável decair para

metade da quantidade inicial (Co1/2). Esta relação encontra-se descrita pala equação 3.7:

(3.7)

O valor de K varia normalmente entre 0,005 e 0,4. Mas, segundo, a EPA, por defeito, a K toma o valor

de acordo com aterro em análise, como apresentado na tabela 6.

Aterro K

Convencional 0,04

Zonas áridas 0,02

Bio reactor 0,7

Tabela 6 - Valores por defeito para a taxa de produção de metano [21]

3.3.2– Modelo de Tchobanoglous

Outro modelo bastante comum na literatura é o modelo de Tchobanoglous. Este modelo baseia-se

numa distribuição triangular de produção gás, tendo em conta a composição da matéria

biodegradável, nomeadamente a fração de matéria rapidamente biodegradável (RB) e a fração de

matéria lentamente biodegradável (LB).

Como se representa na equação 3.8, este modelo assume que toda a matéria biodegradável se

decompõe em CO2, CH4 e NH3 [18]

(3.8)

Com base neste modelo e na constituição e massa de RSU depositados em aterro, obtém-se,

habitualmente, uma curva de produção teórica de metano idêntica à que se apresenta no gráfico 7,

resultante da decomposição da fração RB e LB.

17

Gráfico 7 - Produção teórica de biogás referente à decomposição da fracção RB e LB [4]

Este modelo assume que a fração RB atinge um pico de produção nos primeiros dois anos e um valor

nulo ao fim de seis anos. Por outro lado, assume que a fração LB atinge um pico de produção no

sexto ano, atingindo o valor nulo no final do décimo sexto ano. Estas curvas são obtidas a partir da

determinação da altura dos triângulos, uma vez que a área de cada triângulo representa a produção

total de metano de cada fração de material biodegradável presente nos RSU, depositados a cada

ano.

18

4 - Drenagem do biogás de aterro

Em condições normais, os gases produzidos no interior do aterro, produtos da digestão anaeróbia,

deslocam-se até à superfície do aterro, maioritariamente, por difusão molecular e por fluxo

convectivo.

No entanto, os impactes ambientais, os maus odores e o elevado risco de explosão no interior do

aterro inerentes à produção de biogás, fazem com que a drenagem do biogás se realize de uma

forma cuidada e o mais eficiente possível.

Existem dois tipos de sistemas de drenagem do biogás de aterro: os sistemas passivos e os sistemas

activos. Ambos partem do princípio de que o aterro, de alguma forma, se encontra selado, de forma a

aumentar a quantidade de captação do biogás produzido.

A selagem dos aterros sanitários é realizada, habitualmente, com tela de polietileno de modo a

garantir a estanquicidade do aterro sanitário, muito embora a selagem da parte superior do aterro

possa ser ou não realizada, dependendo do tipo de gestão aplicado em cada aterro, dada a

importância da humidade na produção de biogás.

O tipo de sistema de drenagem a aplicar prende-se, essencialmente, com as leis decorrentes em

cada país, com a proximidade de edifícios e com a aplicação ou não de um sistema de valorização

energética.

4.1 – Sistema de drenagem ativo

O sistema de drenagem ativo é um sistema de captação de biogás onde é garantida uma depressão

na rede de captação e no próprio aterro por intermédio de um ventilador (booster). Este tipo de

sistema é, habitualmente, aplicado em aterros localizados junto a áreas residenciais sendo de

carácter quase imprescindível nos sistemas onde se realize a valorização energética do biogás. É

igualmente, caracterizado pela aplicação de furos verticais e/ou horizontais para a otimização de

captação do biogás. Na Figura 3 encontra-se representado o ventilador e nas ilustrações 4 e 5, um

sistema de drenagem de biogás com furos verticais e horizontais, respectivamente.

19

Figura 3 – Ventilador (Booster) do objeto de estudo

Figura 4 - Sistema de drenagem activa com furos verticais [4]

Figura 5 - Sistema de drenagem ativa furos horizontais [4]

O aumento da depressão criado no aterro faz da selagem do aterro um aspeto de extrema

importância na eficiência da captação do biogás. Caso a impermeabilização não seja, minimamente,

eficaz poderá ocorrer infiltração de ar para o caudal de biogás e para os furos de captação,

aumentando o risco de explosão e de combustão espontânea, podendo também interferir, no

metabolismo das bactérias responsáveis pela produção de metano. Um cuidado a ter com a

depressão é o controlo da depressão em cada furo, uma vez que com o excesso de extração de

biogás, podemos inibir o correto desenvolvimento das bactérias responsáveis pela produção de

metano, podendo mesmo levar à sua morte.

20

4.1.1 – Furos verticais

Os furos verticais consistem em tubos perfurados, colocados verticalmente pelo aterro sanitário. A

distribuição dos furos verticais encontra-se acentuadamente ligada ao raio de captação de cada furo,

raio esse que pode variar de acordo com a depressão aplicada em cada furo. Contudo em aterros

selados e profundos, o espaçamento entre furos ronda os 40 e os 80 metros. A instalação dos tubos

verticais é, normalmente, realizada após a definição dos patamares do aterro. Todavia também

poderão ser aplicados, progressivamente, acompanhando a altura dos RSU depositados.

A elaboração dos furos verticais consiste, geralmente, na execução de um furo com diâmetro de 500

a 1000 mm no volume de RSU, onde é introduzido o tubo perfurado em polietileno com um diâmetro

de 100 a 150 mm ao centro do furo, fixado a cerca de 300 mm do fundo do furo. O restante espaço

do furo é preenchido com seixos de dimensão superior aos rasgos realizados no tubo de polietileno,

garantindo assim o escoamento do biogás de aterro para o tubo de captação.

Outro pormenor que importa ressaltar na elaboração dos furos verticais, é o topo do furo onde é

aconselhável a aplicação de um tampão em bentonite nos últimos 150/600 mm do furo, em vez dos

seixos, por forma a impermeabilizar o topo do furo do ar atmosférico. Deste modo, obtém-se uma

configuração idêntica à representada na Figura 6

Figura 6 - Configuração típica furo vertical

21

4.1.2 – Furos horizontais

Alternativamente aos furos verticais existem os furos horizontais, que consistem na instalação

horizontal de condutas perfuradas pelo aterro sanitário, sendo estas executadas aquando da

definição de patamares, podendo apenas ser colocadas após a definição do segundo patamar

Os tubos, usualmente, utilizados neste tipo de furo são de polietileno com um diâmetro de,

aproximadamente, 250 mm. Estes são normalmente dispostos com um espaçamento horizontal de,

aproximadamente, 60 metros e um espaçamento vertical de, aproximadamente, 24 metros,

dependendo também da depressão a aplicar nos furos.

Neste tipo de furo é elaborada uma vala com cerca de 2 metros de profundidade e 0,6 metros de

largura. Os primeiros 0,6 metros de altura são preenchidos com seixo, posteriormente, é colocado o

tubo perfurado, seguindo-se o preenchimento da vala com seixos até perfazer os 2 metros de altura

da vala. Deste modo, obtém-se uma configuração idêntica à representada na Figura 7.

Figura 7 - Furo Horizontal

4.2 – Sistema de drenagem passivo

Os sistemas passivos são, regularmente aplicados em aterros de pequenas dimensões e em países

que ainda o permitam. Este tipo de sistema realiza a drenagem do biogás a partir da sobrepressão

natural existente no interior do aterro sanitário, podendo assumir várias configurações. Destacam-se,

de entre as mais usuais, a criação de uma camada de gravilha ao longo da encosta do aterro, ligada

a um tubo perfurado. Destaca-se ainda a criação de uma vala ao redor do aterro preenchido com

material permeável onde a extração de biogás é realizada por intermédio de um tubo perfurado. A

aplicação de furos verticais e horizontais também é possível, embora os investimentos associados a

este tipo de sistemas não favoreçam a sua aplicação.

Frequentemente, este tipo de sistema encontra-se dotado de um queimador, para tratamento do

biogás de aterro por combustão.

22

4.3 – Condensados

Um aspecto a ter em atenção nas instalações de valorização energética do biogás de aterro é a

formação de condensados, no sistema de captação.

O aparecimento de condensados no sistema de drenagem do biogás de aterro é uma consequência

das elevadas temperaturas e do elevado teor de humidade presentes no interior do aterro, fazendo

com que parte do biogás condense ao circular pelas condutas de drenagem de biogás quando estas

se encontram a uma temperatura inferior à do biogás.

A acumulação de condensados nas linhas pode originar um bloqueio nas condutas de drenagem do

biogás. Como tal, as linhas deverão ser instaladas por troços com uma inclinação mínima de 3%,

alternadamente, para cima e para baixo, por forma a criar zonas de acumulação de condensados

onde estes são continuamente purgados.

Para além do bloqueio das condutas, é importante realçar que os condensados em nada contribuem

para a eficiência da combustão do biogás. Atendendo ao supramencionado, é frequente encontrar

nos sistemas, onde se realiza a valorização energética do biogás de aterro, os denominados poços

de condensados, onde é realizada a recolha dos condensados provenientes da conduta principal de

alimentação do sistema de valorização. Todos os condensados recolhidos, juntamente, com os

lixiviados são habitualmente recirculados no aterro e/ou tratados em estações de tratamento de

águas residuais. Em certas instalações poderão ainda ser instalados secadores de biogás.

23

5 - Sistemas de gestão do biogás de aterro

Dado o impacte ambiental associado à emissão de biogás para a atmosfera, a aplicação de um

sistema de controlo de emissões torna-se de extrema importância, no que diz respeito à gestão de

aterros sanitários. De salientar que esta gestão permitirá contribuir para uma redução de odores

desagradáveis e do risco de explosão.

Habitualmente, estes sistemas baseiam-se na captação e combustão do biogás, com ou sem

valorização energética, dependendo, fundamentalmente, da constituição e do caudal de biogás

gerado pelo aterro em questão.

5.1 – Combustão de biogás sem valorização energética

Quando a valorização da energia do biogás de aterro não é viável, o sistema de combustão consiste,

vulgarmente, na implementação de queimadores. Os queimadores de biogás podem ser divididos em

dois grupos, queimadores abertos ou queimadores fechados, ambos dotados de um sistema de

ignição por chama piloto ou por ignição manual, sendo o primeiro o método mais eficiente.

5.1.1 – Queimadores abertos

Os queimadores abertos, como representado na Figura 8, são queimadores onde a mistura é

realizada no topo do queimador obtendo-se, desta forma, uma chama de difusão, caracterizada pela

combustão incompleta, consequência da mistura pobre e das diferentes temperaturas que ocorrem

no interior e na frente da chama. Os queimadores abertos, habitualmente, não cumprem as restrições

às emissões estipuladas por muitos países. Estes tipos de queimadores são usualmente, aplicados

em aterros sanitários que o utilizam por curtos períodos [4] (e.g. durante a fase de teste ou durante os

períodos de manutenção dos sistemas que possuam sistema de valorização energética).

24

Figura 8 - Queimador aberto [22]

5.1.2 – Queimadores fechados

Os queimadores fechados, como representado na Figura 8, são caracterizados por possuírem uma

câmara de combustão cilíndrica em material refratário. Este tipo de construção reduz a distância de

quenching, dando origem a uma combustão muito mais uniforme, minimizando, as emissões de CH4.

Os tempos de residência e a temperatura na câmara de combustão variam de instalação para

instalação mas, habitualmente, verifica-se um tempo de residência mínimo de 0,3 s a

aproximadamente 1000 °C, conseguindo-se assim tratar 98 a 99,5% do biogás que passa pelo

queimador [16].

Figura 9 - Queimador fechado [22]

25

5.2 – Combustão de biogás de aterro com valorização energética

Atendendo às características do biogás de aterro, designadamente a elevada percentagem de

metano que lhe confere um elevado potencial energético, este é passível de ser valorizado

energeticamente.

O sistema de valorização do biogás a implementar depende, essencialmente, da disponibilidade

energética e do tipo de energia consumida na zona circundante, nomeadamente energia térmica e/ou

eléctrica ou consumo directo de metano como fonte de energia.

Existem vários sistemas que empregam a valorização energética do biogás de aterro, destacando-se

as caldeiras, as turbinas a gás e os motores de combustão interna. Importa ressaltar que as

eficiências energéticas dos supramencionados sistemas também são um fator com um peso

importante na decisão do sistema a implementar; podendo nos aterros de grandes proporções ser

instaladas turbinas a vapor. Na tabela 7 encontram-se representados alguns valores típicos para o

rendimento térmico e eléctrico das tecnologias acima referidas.

Sistema ηELEC [%] ηTER [%]

Turbina a gás 29 59

MCI a gás natural 42 43

Caldeira 0 90

Tabela 7 - Rendimentos térmico e elétricos de sistemas de valorização de biogás [23] [24]

5.2.1 – Caldeiras

A caldeira, conforme representado na Figura 10, é um sistema que permite a valorização térmica do

biogás, transformando a energia química do biogás em energia térmica, por intermédio de

queimadores e de um sistema de tubagens por onde circula água, gerando água quente ou vapor.

Figura 10 – Configuração de caldeiras consoante o que se produz [25]

26

Este tipo de sistema é, habitualmente, utilizado em locais onde existe consumo de energia térmica,

não sendo economicamente atractivo quando comparado com a produção de energia eléctrica [16].

5.2.2 – Turbinas a gás

As turbinas a gás podem funcionar, segundo duas configurações, em ciclo aberto ou ciclo fechado,

residindo a sua principal diferença ao nível do fluido de trabalho. No ciclo aberto o fluido de trabalho é

a própria mistura ar combustível; no ciclo fechado o fluido de trabalho é um fluido intermédio que

recebe energia de uma fonte exterior. De entre as configurações acima referidas, a mais comum na

valorização do biogás de aterro é a turbina a gás em ciclo aberto observando-se em alguns casos a

compressão do gás quando o poder calorífico do gás é baixo [4].

O princípio de funcionamento da turbina a gás em ciclo aberto, tipicamente constituído de acordo com

a Figura 11, baseia-se em três fases consecutivas: compressão, combustão e expansão. Esta é,

continuamente, alimentada com ar atmosférico comprimido à entrada; posteriormente, o ar

comprimido entra na câmara de combustão onde se mistura com o combustível pressurizado, onde

ocorre a combustão da mistura. De seguida, os produtos de combustão expandem na turbina,

gerando trabalho, sendo que parte deste é utilizado para acionar o compressor e o restante para a

geração de energia mecânica [26].

A energia mecânica disponível, por seu turno, é utilizada para gerar energia eléctrica por intermédio

de um gerador elétrico. Este tipo de sistema permite ainda o aproveitamento de energia térmica dos

produtos de combustão e do sistema de refrigeração da turbina.

Figura 11 - Turbina a gás simples, aberta para a atmosfera com compressão do gás [4]

A aplicação de turbinas a gás na valorização energética do biogás, ganha um particular interesse

quando existe interesse na produção de energia térmica. Contudo para o biogás, as tubinas a gás

apresentam uma limitação importante, a qualidade do biogás, pois a presença de alguns elementos

no biogás podem originar substâncias nos gases de escape responsáveis pela corrosão das pás e/ou

pela sedimentação de particulas nas pás diminuido a eficiência da turbina e obrigando a uma

manutenção mais apertada.

27

5.2.3 – Motores de combustão interna de êmbolos alternativos

Entre os motores de combustão interna de êmbolos alternativos encontram-se os motores de ignição

por faísca (motores de explosão) e os motores de ignição por compressão (motores diesel).

Nos motores diesel, o ar é comprimido atingindo elevadas pressões e temperaturas, dando-se a

ignição aquando da injecção do combustível na câmara de combustão.

Nos motores de explosão, o fluido de trabalho resultante da mistura ar combustível, é comprimido no

interior da câmara de combustão, iniciando-se a combustão por intermédio de uma faísca,

imediatamente antes do ponto morto superior.

Na valorização energética do biogás de aterro, os motores de combustão interna, habitualmente,

utilizados são os motores de explosão, uma vez que a aplicação de motores diesel neste tipo de

sistema se torna difícil, dada a constante variação da sua composição do biogás de aterro. Esta

dificuldade tem origem na variação da concentração de metano no biogás, afetando diretamente o

índice de cetano do biogás e dificultando a previsão da temperatura de auto-ignição do biogás e a

consequente determinação da razão de compressão a aplicar no motor.

Atualmente, já existem motores de explosão para biogás que atingem os 4,3MW, potência, o que até

há pouco tempo, só poderia ser obtida com recurso a turbinas a gás.

Na Figura 12 encontra-se representado o motor instalado na central em estudo.

Figura 12 - Motor MWM 2016 V16 [27]

Um dos mais importantes fabricantes de motores a biogás e principal fornecedor da EFACEC neste

ramo é a MWM da antiga DEUTZ que, actualmente possui uma gama de motores com as potências

descritas na tabela 7.

28

TCG Motor Potência [kW]

2016

V8 400

V12 600

V16 800

2020

V12 1200

V16 1560

V20 2000

2032 V12 3333

V16 4300

Tabela 7 - Motores a biogás MWM

29

6 - Estudo prévio da valorização energética no

aterro sanitário do Fundão

Para que se possa decidir qual o sistema de valorização energética a implementar num determinado

aterro sanitário tona-se vital um estudo cuidado da estimativa da produção de metano e da viabilidade

económica.

6.1 – Estimativa da produção teórica de metano

A estimativa da produção teórica de biogás de aterro é uma ferramenta de projeto muito importante

na decisão do sistema de gestão a implementar. Como tal, essa estimativa deverá ser obtida de

acordo com as características dos RSU e do aterro em questão.

Como já referido, anteriormente o biogás de aterro é constituído por vários gases. Contudo, uma vez

que o metano é o constituinte mais importante na definição do poder calorífico do biogás, todas as

análises que se seguem serão realizadas em função do caudal de metano.

6.1.1 – Características dos RSU e do aterro em estudo

O aterro sanitário do Fundão entrou em funcionamento em 2001 e foi dimensionado para um

horizonte de vida que atingirá 2027, ano previsto para o seu encerramento, sendo atualmente

tratadas cerca de 280 toneladas de resíduos por dia.

Da análise realizada aos RSU depositados no aterro sanitário do Fundão, obteve-se a constituição

mássica, conforme descrito na tabela 8

Da análise indicada na tabela obtém-se um teor de matéria orgânica de aproximadamente 60%,

compreendendo aproximadamente 56% de constituintes RB e 4% de constituintes LB, fracções que

segundo a mesma análise podem ser representas de acordo com as fórmulas químicas, C37H58O25N

e C24H38O15N, respetivamente.

Relativamente à massa de RSU depositados em aterro, os valores desde o início da deposição até ao

presente foram obtidos através da análise de informações estatística do INE e do site da

EGF/RESIESTRELA. Com base na informação estatística referente aos concelhos abrangidos pelo

sistema e tendo em consideração o aumento de capacidade da central de compostagem previsto

para 2011, foram ainda extrapoladas linhas de tendência para avaliação da massa de resíduos a

serem recebidos no aterro sanitário do Fundão, obtendo-se um histórico/estimativa de deposição em

aterro de acordo com a tabela 9.

30

6.1.2 – Estimativa da produção de CH4 realizado pela EFACEC

A estimativa da produção de metano realizada pela EFACEC para o aterro sanitário do Fundão foi

obtida com recurso ao “Landfill Gas Emissions Model”. Este programa é executado no Excel, com

base no FOD e tem como variáveis de entrada o histórico de deposição anual de RSU, a Taxa de

produção de metano, o potencial de produção de metano e a percentagem volumétrica de metano no

biogás de aterro. De acordo com o estudo realizado pela EFACEC, estes parâmetros tomam os

valores que se apresentam na tabela 10.

Componente % (Base húmida)

Putrescíveis 41,64

Papel 8,38

Cartão 5,34

Compósitos 2,86

Plásticos 10,44

Têxteis 3,28

Têxteis sanitários 4,16

Combustíveis 0,77

Madeira 0,60

Vidro 5,01

Metais 2,31

Resíduos domésticos 0,96

Incombustíveis 1,52

Finos (<20mm) 12,73

Tabela 8 - Composição húmida dos RSU depositados no aterro do Fundão [28]

Ano (T) RSU [Ton/ano] (Rx) Ano (T) RSU [Ton/ano] (Rx)

2001 8.595 2015 63.789

2002 68.763 2016 63.096

2003 72.035 2017 62.404

2004 71.125 2018 61.712

2005 71.313 2019 61.019

2006 74.973 2020 60.327

2007 80.000 2021 59.634

2008 79.000 2022 58.942

2009 72.940 2023 58.249

2010 72.249 2024 57.557

2011 66.557 2025 56.864

2012 65.865 2026 56.171

2013 65.173 2027 55.478

2014 64.481

Tabela 9 - Deposição anual de RSU no aterro sanitário do fundão [28]

31

Parâmetro

L0 [m3/ton] 97,70

K [ano-1

] 0,04

CH4 [%] 50

Tabela 10 - Parâmetros utilizados na estimativa de produção de metano para o aterro sanitário do Fundão

6.1.3 – Aplicação do modelo DDPO ao aterro sanitário do Fundão

O modelo descrito no subcapítulo 3.3.1 foi implementado no Excel tendo como variáveis de entrada a

quantidade anual de RSU depositada em aterro e os parâmetros indicados na tabela 11.

Parâmetro

K [ano-1

] 0,04

COD1 [%] 13,72

COD2 [%] 3,28

COD3 [%] 41,64

COD4 [%] 0,60

COD5 [%] 0

COD6 [%] 4,16

COD7 [%] 0

CODf 0,77/0,5

MCF 1

F [%] 50

ρCH4 [kg/nm3] 0,72

Tabela 11 - Parâmetros utilizados no programa descrito no subcapítulo 3.3.1

6.1.4 – Produção teórica de CH4

Uma vez exposto o modelo de cálculo e analisados e fixados os parâmetros a introduzir, passar-se-á

à realização da análise da produção teórica de metano no aterro sanitário do Fundão.

No gráfico 8 encontra-se representada a produção teórica de metano obtida no estudo realizado pela

EFACEC e no modelo DDPO, para CODf igual 0,77 e a 0,5.

32

Gráfico 8 - Produção teórica de metano Efacec VS FOD_IPCC (CODf=0,77) VS FOD_IPCC (CODf=0,5)

Neste gráfico é possível verificar uma tendência muito semelhante entre a produção de CH4 obtida

pela EFACEC e a produção de CH4 obtida, pelo modelo DDPO. Esta tendência era expectável, já que

os dois cálculos têm por base o modelo FOD. Importa ainda salientar a importância da CODf na

estimativa de produção de CH4, no modelo DDPO, uma vez que como é possível constatar, a

variação deste parâmetro pode influenciar, de forma substancial, os resultados obtidos.

6.2 – Impacto ambiental da libertação do biogás para a atmosfera

face às emissões resultantes valorização energética

De seguida realizar-se-á uma análise da caracterização dos gases constituintes do biogás de aterro e

dos gases que constituem os gases de escape de um grupo análogo ao grupo em estudo e

respectiva comparação.

No boletim de análises realizadas ao biogás de aterro da Resiestrela, obtiveram-se os seguintes

resultados:

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

2001 2011 2021 2031 2041

CH

4 [

m3

/h]

Ano

Produção de CH4

EST.PREV.

DDPO_CODf=0,5

DDPO_CODf=0,77

33

Tabela 12 - Caracterização do biogás de aterro sanitário do Fundão [29]

Como é possível observar, os gases predominantemente libertados no aterro sanitário em estudo são

o dióxido de carbono e o metano, configurando-se como os que exibem menor expressão o oxigénio

e o azoto.

Destes gases, os que têm maior impacte ambiental ao nível do aquecimento global são os que

existem em maior quantidade, o dióxido de carbono e o metano, tendo o metano a agravante de ser

20 vezes mais nocivo que o dióxido de carbono, no que diz respeito ao aquecimento global.

Na tabela que se segue, apresentam-se as percentagens em volume dos gases que constituem o gás

de escape produzido pelo motor TCG 2020 2000kW da MWM, utilizando como combustível um gás

34

idêntico ao que se produz habitualmente nos aterros constituído por 50,7% CH4, 35,3% CO2, 13,2%

N2 e 0,8% O2 em volume.

Tabela 13 - Caracterização gases de escape

Apesar do motor em cima referido não ser igual ao motor em estudo e o combustível não ser o biogás

do aterro em estudo, pela tabela e 12 e 13 é possível concluir que relativamente ao impacte

ambiental, a valorização do biogás de aterro é irrepreensivelmente uma excelente alternativa à

emissão do biogás de aterro para a atmosfera atendendo a que a quase totalidade do metano é

convertida em gases com um efeito estufa menor.

No entanto, na valorização do biogás de aterro com recurso a motores de explosão, a produção de

CO, NOx, SO2 e HC é inevitável, exercendo todos eles efeitos negativos principalmente a nível local e

regional com consequências ao nível da saúde e matérias. Como tal, importa que estes motores

cumpram os limites legais estipulados referentes a estes gases por forma a não afetar a saúde e

matérias da população circundante.

6.3 – Estudo de viabilidade económica

Como em qualquer projeto com fins lucrativos, o estudo da viabilidade económica torna-se de

extrema importância na decisão de aplicação de investimentos. No caso das energias renováveis,

este adquire uma importância redobrada, dado o carácter maioritariamente inconstante das fontes de

energia e o elevado risco de custo de produção [30], como é o caso da valorização energética do

biogás de aterro.

Neste subcapítulo descrever-se-ão todos os pressupostos económicos e financeiros, bem como a

metodologia aplicada ao estudo de viabilidade económica da valorização do biogás de aterro do

Fundão.

Exhaust volume flow humid N2 + noble gasVol % 70,7

Exhaust volume humid flow CO2Vol % 9,8

Exhaust volume flow humid O2Vol % 7

Exhaust volume flow humid H20Vol % 11,6

Exhaust volume flow humid CO, NOx, SO2, HCVol % 0,9

35

6.3.1 – Pressupostos económicos

Os pressupostos económicos baseiam-se essencialmente num balanço entre as estimativas das

vendas e os custos associados a um determinado projecto, ao longo de um determinado período. No

presente estudo, considerar-se-á um período de operacionalidade de 10 anos, uma vez que é o

período mínimo no qual o fabricante é obrigado a garantir o fornecimento de componentes para o

motor de combustão interna a implementar. Por outro lado, este período é ainda inferior ao período

de disponibilidade energética para o sistema a implementar, como é possível verificar no gráfico 9.

Deste modo, temos que o grupo entrou em funcionamento no mês de Maio de 2011 e na pior das

hipóteses ficará inativo no mês de Maio de 2021.

Para a presente análise económica considerar-se-á também que os custos de toda a logística

essencial á deposição de resíduos no aterro sanitário, como camiões, infraestruturas, secretariado,

segurança, água, consomo elétrico, etc, não serão tidos em conta no presente estudo.

Importa ainda salientar que todos os aduzidos pressupostos económicos têm por base dados

fornecidos pela EFACEC.

6.3.1.2 – Receitas

As receitas referentes à valorização energética do biogás do aterro do Fundão estão, principalmente,

ligadas à venda de energia elétrica para a rede nacional. No entanto, importa ressaltar que o sistema

de valorização em questão está dotado de um sistema de co-geração que permite o aproveitamento

de alguma energia térmica, que não será levada em consideração de modo a simplificar a presente

análise, representando sempre uma mais-valia do sistema.

Sendo assim, as receitas serão simplesmente obtidas através do produto entre a estimativa de

energia elétrica produzida e a tarifa de venda de energia elétrica para a rede, considerando um tempo

de paragem médio anual do grupo de 15 dias para manutenções e eventuais problemas de

exploração, o que perfaz um total de aproximadamente 8400 horas de funcionamento anual.

[ ] [ ] [ ⁄ ] (6.1)

A estimativa da produção de energia elétrica foi realizada a partir da previsão de produção12

de CH4

[Nm3], tendo em conta um rendimento elétrico do grupo de cerca de 42% a 100% da carga, uma

percentagem de captação de biogás de 70% e um poder calorífico inferior para CH4 de

aproximadamente 10 kWh/Nm3.

[ ]

(6.2)

12

Uma vez que a previsão de produção de biogás entre os dados fornecidos pela Efacec e os cálculos efectuados foi muito semelhante, optou-se por utilizar a estimativa de produção de metano realizada pela Efacec.

36

Gráfico 9 - Potência disponível VS aproveitada

No gráfico 9, encontra-se representado o potencial de energia elétrica disponível e aproveitada, para

o grupo a instalar no sistema de valorização energética do aterro sanitário do Fundão, sendo neste

caso um grupo de 800kWelec. É possível inferir que, segundo as previsões de produção de metano, o

motor só não poderá estar à carga máxima nos primeiros dois anos, prevendo-se uma potência

média anual disponível de 741kw no primeiro ano e 797 kW no segundo ano. No entanto, nos anos

subsequentes, verifica-se uma disponibilidade de energia que irá assegurar o funcionamento do

grupo, teoricamente à carga máxima, pois na realidade o grupo nunca mantém uma produção

contínua de 800 kWele. No gráfico 9 verifica-se ainda uma potencial disponibilidade energética para a

implementação futura de um segundo grupo.

A estimativa da tarifa de venda de energia elétrica foi realizada de acordo com o Decreto-Lei nº

225/2007, atualmente em vigor, obtendo-se uma remuneração de, aproximadamente 0,105 €/kWh.

6.3.1.3 – Custos

Os custos inerentes ao projeto em análise prendem-se, fundamentalmente, com o investimento inicial

e com os custos de operação e manutenção.

O investimento inicial inclui todos os custos ligados à aquisição e aplicação de componentes e

materiais necessários à execução do projeto, como discriminado na tabela 14, fornecida pela Efacec.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

2001 2011 2021 2031 2041

Po

tên

cia

[KW

]

Ano

Potência disponível VS aproveitada

Pot.aproveitada

Pot.disponivel

37

Investimento Custo [€]

Projeto de execução e licenciamento da instalação 8.956,50

Fornecimento e instalação da selagem dos taludes e drenos verticais de biogás do

aterro sanitário 79.605,19

Ligação entre o sistema de drenagem e captação do biogás e o sistema de

aproveitamento energético 16.015,97

Fornecimento, montagem e colocação em serviço de todo o equipamento

mecânico e electromecânico 436.512,96

Fornecimento, montagem e colocação em serviço do sistema de aproveitamento

de energia térmica 54.173,40

Fornecimento, montagem e colocação em serviço de todo o equipamento elétrico 137.478,15

Fornecimento, montagem e colocação em serviço do sistema de controlo 19.975,83

Trabalhos de construção civil a executar para o sistema de aproveitamento

energético 80.193,90

Fornecimento de peças de desgaste rápido necessárias aos dois primeiros anos

de operação 42.588,70

Formação e Assistência Técnica 23.407,17

Total 898.907,77

Tabela 14 - Investimento inicial

Os custos de operação e manutenção (OPEX) englobam todos os custos necessários ao correto

funcionamento do projeto, como é o caso das manutenções, da energia necessária ao acionamento

dos equipamentos auxiliares e dos custos associados à contratação de pessoal, neste caso, de um

operador e de um gestor.

O motor a instalar possui um custo de manutenção que varia, anualmente, de acordo com os tipos de

manutenção a realizar. Neste estudo é considerado como um investimento realizado a cada ano. Na

tabela 15 onde se encontram descritos os custos anuais de manutenção, verificamos que no ano 6 o

custo de manutenção é mais elevado face aos restantes anos. Este custo deve-se essencialmente à

realização da manutenção E70 que contempla uma revisão geral do motor.

Ano 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

Custo [€] 3800 30800 15450 50100 42450 97540 15800 37450 50100 15450 35150

Tabela 15 - Custos anuais de manutenção

O grupo a instalar possui um autoconsumo de, aproximadamente, 4% da potência instalada, o que

perfaz um consumo de, aproximadamente, 32 kW, ou seja, em termos práticos é menos esta energia

38

que é injetada na rede o que perfaz, um abatimento de 3,36€ por hora de funcionamento nas vendas

totais.

Quanto aos custos associados ao operador e ao gestor, considerou-se que estes possuem um

vencimento líquido de 800 e 1600 € respetivamente, obtendo-se um custo total de, aproximadamente,

41580 € anuais com pessoal, considerando uma taxa de segurança social de 23,75% e um

vencimento de 14 meses por ano.

Outro custo, não mencionado até ao momento, está relacionado com os impostos sobre as vendas.

6.3.2- Pressupostos financeiros

Para a execução de qualquer projeto são necessários financiamentos. Neste estudo foi considerado

que todo o investimento inicial é suportado por capital próprio.

No presente trabalho, os pressupostos financeiros consistem na decisão da taxa de amortização dos

componentes do projeto, da taxa de atualização e dos impostos a pagar.

A amortização, sob um ponto de vista contabilístico, consiste na desvalorização económica dos bens

adquiridos, sendo na presente análise considerada uma amortização de 10 anos, uma vez que é o

período de vida útil do projeto em questão e é um período inferior ao período de amortização indicado

pelo decreto-lei nº 25/2009, de 14 de Setembro para as centrais termoeléctricas que indica um

período de 12 anos.

Aplicando uma taxa de amortização de 10%, estamos em condições de calcular o resultado bruto

(RB) a cada ano i, durante o período de vida útil considerado.

O resultado bruto consiste na subtração das dos custos de operação e manutenção (OPEX) e da

amortização (AE) às receitas a cada ano do período referido.

(6.3)

Os resultados líquidos (RL) inerentes ao presente projeto são iguais aos resultados brutos uma vez

não existem impostos sobre a venda de energia elétrica resultante da valorização energética do

biogás de aterro.

(6.4)

6.3.3- Cash-flow de exploração

Com base nos dados acima referidos é possível passar à estimativa dos saldos (cash-flows)

contabilísticos a cada ano do projeto, que consiste num balanço de entradas e saídas de dinheiro,

para avaliação das condições do projeto.

Neste estudo será utilizado apenas o CASH-FLOW global de exploração (CFE), obtido a partir da

seguinte expressão:

39

(6.5)

6.3.4- Indicadores de avaliação de investimentos

Os indicadores de avaliação de investimentos, habitualmente, utilizados na avaliação de projetos de

investimento em sistemas de produção de energia de origem renovável, são o valor atual líquido

(VAL), a taxa de rentabilidade interna (TIR) e o período de recuperação (Tr).

6.3.4.1- Valor atual líquido

O VAL é a diferença entre as entradas e as saídas de dinheiro, os chamados fluxos monetários,

devidamente atualizados durante o período de vida útil do projeyo.

(6.6)

A atualização dos fluxos monetários é realizada pela aplicação da taxa de atualização (a), que no

presente estudo tomou o valor de 13%.

A análise de viabilidade económica com base no VAL é realizada do seguinte modo:

- VAL igual a 0, o projeto é viável com uma taxa de retorno exigida.

- VAL superior a 0 a rentabilidade é superior ao exigido.

- VAL inferior a 0, o projeto não é viável.

6.3.4.2- Taxa interna de rentabilidade

A taxa interna de rentabilidade é a taxa de atualização que anula o VAL, ou seja é a taxa máxima de

´juro´ aplicável ao capital investido, que torna o projeto economicamente viável e é obtida através da

equação 6.7

(6.7)

6.3.4- Resultados do estudo de viabilidade económica

Uma vez expostos todos os indicadores e pressupostos económicos e financeiros, elaborou-se uma

folha de cálculo no Excel, de modo a facilitar a análise económica do projeto em questão.

40

Para a situação ideal, ou seja, caso a produção de metano seja igual ao esperado teoricamente, para

o período de funcionamento previsto obtemos um VAL de 2228420 € e uma TIR de 57 %, o que

revela de forma indubitável que, teoricamente, o projeto é economicamente viável.

Outro dado que ilustra bem a viabilidade económica do projeto é o período de recuperação que, para

as condições de projeto, assume um período de aproximadamente 2 anos.

Pelo já referido precedentemente, constata-se que um dos parâmetros mais critico na análise

económica deste tipo de projeto é a estimativa de produção de metano, e como tal, posteriormente,

realizar-se-á uma análise do VAL e da TIR, em função da percentagem teórica de caudal de metano.

Gráfico 10 - VAL (€) em função da percentagem de caudal teórico de CH4

Gráfico 11 - TIR em função da percentagem de caudal teórico de CH4

-500000

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

20 30 40 50 60 70 80 90 100

VA

L

% de caudal teórico de CH4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

20 30 40 50 60 70 80 90 100

TIR

% de caudal teórico de CH4

41

Na análise efetuada teve-se em consideração uma potência máxima de produção de 800 kWelec, uma

potência mínima de 240 kWelec, com uma variação do rendimento elétrico do grupo em função da

carga. O rendimento elétrico aproximado do grupo em função da carga foi obtido recorrendo à linha

de tendência com um polinómio de 2º grau, resultante dos dados fornecidos pelo fabricante do grupo.

Carga Rendimento elétrico do grupo

100% 0,425

75% 0,411

50% 0,385

Tabela 16 - Rendimento eléctrico do grupo em função da carga

Como podemos verificar nos gráficos 10 e 11 o projeto não é economicamente viável para uma

queda de caudal de metano de aproximadamente 65% face ao valor teórico disponível, apresentando

um VAL de aproximadamente 0 €, uma TIR de 13% e um período de retorno de aproximadamente 9

anos.

42

7 - Sistema de valorização energética do

biogás de aterro da RESIESTRELA S.A

A valorização energética realizada na central de tratamento de resíduos sólidos do Fundão consiste

na captação do biogás de aterro, posteriormente utilizado como combustível num motor de explosão.

O motor de combustão interna, por sua vez, encontra-se acoplado a um gerador eléctrico, perfazendo

um output máximo de 800 kWelec. O sistema implementado possui ainda a capacidade de realizar

aproveitamento da energia térmica, proveniente do sistema de refrigeração do motor de combustão

interna em co-geração.

No aterro sanitário em questão existe, igualmente, um queimador, pronto a entrar em funcionamento

sempre que necessário, ou seja, sempre que o motor de combustão fica parado por períodos muito

longos.

7.1 - Sistema de captação do biogás de aterro de RESIESTRELA

S.A.

A captação do biogás no aterro sanitário do Fundão tem por base um sistema de controlo ativo, onde

a extração de biogás é realizada a partir de furos verticais e horizontais com o auxílio de um booster.

Os furos de captação, por sua vez, encontram-se ligados entre si por uma conduta secundária. As

condutas secundárias instaladas por patamar convergem para a conduta principal, que encaminha o

biogás para o grupo de valorização energética ou para o queimador como podemos verificar na

Figura 13, fornecida pela Efacec. No final da conduta principal, à entrada do biogás para o grupo,

encontra-se instalado um poço para recolha de condensados, como representado na Figura 14.

Figura 13 - Rede de captação de biogás

43

Figura 14 - Poço de condensados

7.1.1 – Furos de captação de biogás

A proposta inicial contemplava a execução de 15 furos verticais. Contudo, atendendo às

necessidades de biogás para aumentar/manter a produção de energia elétrica, foram sendo

realizados mais furos verticais e alguns horizontais. A configuração dos furos verticais foi sofrendo

diversas alterações, de modo a melhorar o sistema de captação de biogás.

Os furos de captação de biogás possuem dois sistemas de drenagem independentes um para o

biogás e outro para os lixiviados.

A drenagem dos lixiviados é importante uma vez que a acumulação de lixiviados diminui a área de

captação do mesmo, podendo mesmo bloquear todo o furo. A criação deste sistema urge da

necessidade da drenagem de lixiviados acumulados no interior do aterro, resultado das falhas no

sistema de drenagem de lixiviados, das bolsas de lixiviados e da formação de caminhos preferenciais

de escoamento de lixiviados, devido ao elevado grau de compactação exercido sobre os RSU.

Nos capítulos 7.1.1.1 e 7.1.1.2 realizar-se-á uma descrição detalhada dos furos de captação de

biogás verticais e horizontais, respetivamente. Passando-se agora a descrição de algumas

características comuns aos dois tipos de furos:

- Na ligação entre a tubagem de captação de biogás e a conduta de recolha de biogás deverá existir

uma válvula para um controlo individual da depressão.

- Antes da válvula de controlo de depressão, deverá ser colocada uma pequena válvula para recolha

de dados nomeadamente a depressão e a constituição do biogás.

- Colocação de tubos de drenagem do lixiviado no interior do tubo de captação de biogás (tubos de

pesca) ou ao lado deste, excepto nos horizontais com inclinação favorável à drenagem dos lixiviados.

A colocação de tubos de drenagem do lixiviado no interior do tubo de captação de biogás (tubos de

pesca), ou ao lado destes deverão estar presentes em todos os furos exceto nos horizontais com

inclinação favorável à drenagem dos mesmos são fundamentais na limpeza dos furos, evitando a

acumulação de lixiviados nos furos.

44

- Os tubos de drenagem de lixiviados, à saída do furo, deverão possuir um sifão que garanta uma

coluna de lixiviado com altura suficiente, por forma a evitar a entrada de ar quando o lixiviado não

está a ser extraído do furo e quando a linha se encontra em depressão.

- Os tubos de drenagem de lixiviados são encaminhados para o fundo do aterro e ligados a um

sistema que permite o enchimento dos tubos com água. O objetivo passa por possibilitar o

escoamento de lixiviados para os poço de lixiviados devido à diferença de cotas entre o base do tubo

de pesca e a extremidade de descarga13

. Na Figura 15 o tubo preto é o tubo de drenagem de

lixiviados e o tubo amarelo é o tubo por onde entra a água.

Figura 15 - Sistema para drenagem de lixiviados dos furos

- Toda a tubagem é realizada com tubos de PAED DN10 para evitar o seu esmagamento e

deformação, devido às elevadas temperaturas que se fazem sentir à superfície do aterro nos dias

descobertos.

- Os tubos de captação possuem ranhuras para possibilitar a drenagem do biogás. Existe um

compromisso entre a dimensão e distribuição destas ao longo do tubo, bem como com a resistência

estrutural do mesmo. Como tal, a elaboração destas ranhuras não deverá ser realizada de forma

exagerada. Por outro lado a dimensão influencia a dimensão dos seixos a utilizar.

- A aplicação de seixos entre os tubos de captação é indispensável ao bom funcionamento do furo,

pois os seixos atuam como um filtro que deixa passar o biogás e lixiviado impedindo o entupimento

das ranhuras do tubo com lixo.

7.1.1.1 – Furos Verticais

No presente subcapítulo realizar-se-á uma breve descrição da configuração e execução da última

versão dos furos verticais, que segundo a experiência obtida, durante a exploração do biogás de

aterro, será a configuração que otimiza a captação de biogás.

13

Para que o referido sistema de drenagem funcione, a extremidade de descarga tem de estar obrigatoriamente a uma cota mais baixa que a base do tubo de pesca.

45

Figura 16 - Furo vertical

Na Figura 16, encontra-se representado o tubo de drenagem de lixiviados instalado até à base do

furo. Este possui apenas uma abertura na base, por onde é extraído o lixiviado sendo, em algumas

instalações, possível verificar a utilização de bombas para a extracção de lixiviados. Contudo, no

aterro em estudo, a drenagem de lixiviados é realizada a partir da sucção criada pelo desnível entre a

extremidade de captação de lixiviado e a extremidade de descarga.

A limpeza de lixiviados, com este sistema, não ocorre espontaneamente. Para que ocorra a referida

drenagem, é necessário encher toda a tubagem de drenagem de lixiviados com água. O intervalo de

limpeza dos furos não é constante e depende essencialmente da precipitação e da localização do

furo.

A elaboração dos furos verticais realiza-se do seguinte modo:

1- Abertura do furo de captação de biogás na massa de RSU compactada, até uma

profundidade de 1 metro acima da camada de seixos14

colocada no fundo do aterro,

diminuindo o risco de rutura da tela de fundo.

2- Deitar seixo até perfazer uma altura de cerca de 150 mm no fundo do furo.

14

No fundo do aterro é colocada uma camada de seixos para facilitar a drenagem de lixiviados.

46

3- Colocar o tubo perfurado no interior do furo, com centradores, de modo a que o tubo seja

colocado o mais centrado possível. A parte inferior do tubo perfurado deverá ser selada, de

modo a impossibilitar a entrada de resíduos e seixo para o tubo.

4- Encher o restante volume com seixo até cerca de 750 mm da superfície de RSU.

5- Encher os restantes 750 mm com bentonite.

6- Selagem com tela em torno do furo.

7- Colocação da válvula de ligação à rede de captação de biogás e da válvula para análise do

biogás.

8- Ligar o furo à rede de captação de biogás e ao sistema de drenagem de lixiviados.

7.1.1.2 – Furos horizontais

Todos os furos horizontais realizados, no aterro em questão, possuem uma configuração no interior

do aterro muito idêntica à representação da Figura 17, detendo apenas algumas diferenças no

terminal de captação, relacionadas com o tipo de drenagem de lixiviados.

Figura 17 - Configuração do furo horizontal

O tipo de drenagem de lixiviados depende, essencialmente, do declive da extremidade exposta da

conduta de drenagem do biogás, assumindo portanto duas configurações possíveis.

Quando a extremidade exposta se encontra à cota mais baixa, esta possui um sifão instalado na

parte inferior do tubo por forma a possibilitar a drenagem dos lixiviados, impedindo simultaneamente

a entrada de oxigénio para a linha e um tubo na parte superior do terminal para a drenagem do

biogás como é possível observar na Figura 18.

Quando a extremidade exposta se encontra às cotas mais elevadas, esta possui um tubo de

drenagem de lixiviados instalado ao centro do topo, percorrendo o furo até ao fundo do mesmo (tubo

de pesca) e um tubo para drenagem do biogás como se observa na Figura 19.

47

Figura 18 - Terminal da conduta horizontal localizado à cota mais baixa

Figura 19 - Terminal da conduta horizontal localizado à cota mais elevada

Nos furos horizontais, existe um elevado risco de ruptura das condutas de captação subterradas,

devido ao elevado nível de compactação exercido sobre os resíduos e devido às reduções de volume

que os resíduos sofrem no interior do aterro durante da sua degradação.

A rotura da conduta em furos unilaterais pode implicar a inativação de parte significativa do furo de

captação, dependendo da distância do ponto de rotura ao terminal de captação. Posto isto, nas

condutas muito extensas, nomeadamente as que atravessam o aterro de um lado ao outro, é

instalado um sistema de captação bilateral nas extremidades opostas, com uma disposição tipo

48

pirâmide no interior do aterro, prevenindo assim a rotura da conduta e garantindo a drenagem de

biogás nos dois troços, caso ocorra a rotura da linha.

A elaboração dos furos horizontais realiza-se do seguinte modo:

1- Abertura de Vala nos RSU depositados, o mais profunda possível, com o declive pretendido

com largura de aproximadamente 2 metros.

2- Colocação de seixos com diâmetro superior a perfuração do tubo de drenagem, até uma

altura de cerca de 0,5 metros.

3- Colocação do tubo perfurado sobre a base de seixos.

4- Cobrir o tubo perfurado até uma altura de 0,5 metros acima do tubo.

5- Fechar a vala com RSU.

6- Ligar o furo à rede de captação de biogás com as já referidas válvulas de controlo e instalar o

sistema de drenagem de lixiviados.

7.1.2 – Condutas secundárias

As condutas secundárias são as condutas que recolhem o biogás proveniente dos furos de captação.

A nivelação destas condutas torna-se de extrema importância, uma vez que elevados desníveis

podem causar acumulação de condensados, comprometendo o escoamento de biogás.

No aterro em questão, optou-se pela colocação de pneus usados ao longo da conduta, como

representado na Figura 20, por forma a mantê-la nivelada, solução que se revela relativamente

deficiente, uma vez que a dilatação térmica da tubagem e o abatimento do aterro origina um

constante desnivelamento da linha.

Ao longo da linha encontram-se instaladas algumas purgas dotadas de um sifão, mais uma vez por

forma garantir a drenagem de condensados com a obstrução simultânea de entrada de oxigénio para

a linha, dada a depressão imposta na mesma.

Figura 20 - Nivelamento das condutas secundárias

49

7.2 – Sistema de conversão energética

O sistema de conversão energética em estudo consiste num grupo moto-gerador da MWM

denominado de TCG 2016CV16 (biogás). Este é constituído por um motor de explosão de 16 cilindros

em V, a quatro tempos turbo alimentado com aftercoling, que se encontra acoplado a um gerador

elétrico com uma potência instalada de 800kW elétricos a 400 V a 50Hz.

O grupo em estudo possui ainda um sistema de co-geração que visa o aproveitamento térmico do

sistema de refrigeração do motor de combustão que gera uma carga térmica de aproximadamente

400 kW à carga nominal, que é aproveitada por intermédio de um permutador de placas, conforme

representado na Figura 22, para aquecimento de águas e dos escritórios da central.

O sistema em questão possui dois modos de funcionamento, por limitação do caudal de biogás à

entrada do moto-gerador ou por limitação de potência elétrica a produzir, dependendo

essencialmente da disponibilidade, constituição do biogás e do tipo de gestão do aterro. Na Figura 21

encontra-se representado um diagrama genérico de funcionamento do grupo.

Figura 21 - Diagrama genérico de funcionamento do grupo

50

Figura 22 - Permutador de Placas (Resiestrela)

7.2.1 – Problemas habituais

Os problemas associados a este tipo de sistema prendem-se essencialmente com a composição do

biogás de aterro uma vez que este é consumido diretamente pelo motor de combustão interna, sem

sofrer qualquer tipo de tratamento.

Os constituintes do biogás mais problemáticos para o motor de combustão interna são o H2S e o

SiOx. O H2S na medida em que, uma vez na câmara de combustão, é exposto a elevadas

temperaturas e na presença da água ocorre a formação de ácido sulfúrico, que corrói tudo por onde

circula, principalmente todo o sistema por onde circule o óleo do carter, já que durante a compressão

poderá ocorrer passagem desse ácido para o carter.

O SiOx é um componente do biogás que após algumas reações durante a combustão origina uma

substância arenosa que provoca desgaste em todos os componentes, desde a câmara de combustão

até ao sistema de escape, afetando também as pás do turbo-compressor. A substância arenosa

formada é também a grande responsável pela obstrução da faísca das velas de ignição, que em caso

de obstrução completa, impossibilita a combustão da mistura ar-biogás.

Outro problema habitual neste tipo de sistema não só relacionado com a composição do biogás

(índice de metano), mas também com as condições na câmara de combustão está relacionado com

as detonações que têm propensão a ocorrer aquando da existência de pontos quentes, normalmente

resultantes da acumulação da referida substância arenosa.

7.3 – Análise de resultados reais

No presente subcapítulo executar-se-á uma análise comparativa entre a produção real e as

estimativas realizadas quanto à produção de metano e de energia elétrica, baseados nos dados

51

obtidos15

nos primeiros 13 meses de funcionamento, tendo o sistema entrado em funcionamento em

Maio de 2011.

7.3.1 - Estudo energético do sistema no dia 30/9/2011 às 19 horas

A caracterização destes tipos de sistemas (co-geração) habitualmente passa pelo cálculo da energia

térmica e elétrica disponível a partir do combustível utilizado, que neste caso em concreto é o biogás

de aterro.

Dada a variação da constituição do biogás, em seguida realiza-se um pequeno estudo energético ao

sistema relativo ao dia 30 de Setembro de 2011 às 19 horas.

Na tabela 17 indicam-se todos os parâmetros disponíveis úteis a realização do referido estudo

Caudal de biogás [Qbio] 263 Nm3/h

Percentagem de metano a entrada do motor [%CH4] 44.1 %

Poder calorífico inferior do metano [PCICH4] 10 kWh/Nm3

Densidade da água a 80 °C [ρH2O(80°C)] 971,8 kg/m3

Temperatura saída da água de refrigeração [Tout.ref] 81.8 °C

Temperatura entrada da água de refrigeração [Tin.ref] 76.8 °C

Caudal do sistema de refrigeração [Qref] 48.9 m3/h

Calor específico da água a pressão constante a 80 °C [Cph2o(80°C)] 4.2 kJ/kg K

Potência máxima de produção de energia eléctrica [Pemax] 800 kW

Percentagem de produção de energia eléctrica em relação a Pemax [%P] 70 %

Tabela 17 - Valores para o estudo energético referente ao dia 30 de Setembro de 2011 às 19 horas

De seguida passar-se-á ao cálculo da potência fornecida ao sistema [C], da potência elétrica

produzida [E] e da potência térmica disponível [T] já que o sistema não permite contabilizar a energia

térmica aproveitada,

[ ] (7.1)

[ ] (7.2)

[ ] (7.3)

15

O sistema em estudo possui a capacidade de guardar em memória os relatórios, horários de vários

parâmetros importantes para o seu correcto funcionamento, como é o caso do caudal de biogás, a percentagem de metano no biogás e a produção de energia eléctrica.

52

Para o instante em análise obteve-se os resultados descritos na tabela 18

C 1139 kW

E 560 kW

T 277 kW

Tabela 18 – Potências do sistema de co-geração

Os valores obtidos para C, E e T estão dentro do esperado, já que para a carga máxima o grupo

deverá produzir cerca de 800 KW elétricos; gerar 400kW térmicos no sistema de refrigeração e

400kW térmicos nos gases de escape.

Posto isto, estamos em condições de calcular o rendimento elétrico, térmico e global do sistema em

estudo.

(7.4)

(7.5)

(7.6)

Analisando os resultados obtidos observa-se que o rendimento elétrico do grupo possui um valor

superior ao rendimento máximo do motor definido pelo fabricante nas condições ideais de

funcionamento. Esta discrepância deve-se, essencialmente, a erros de medição do caudalímetro e da

sonda de metano.

Analisando o rendimento térmico, verifica-se que cerca de 24% da energia introduzida no motor é

passível de ser aproveitada termicamente.

O rendimento global revela que, cerca de 27% da energia química do combustível utilizada pelo

grupo em questão, é dissipada sob a forma de calor, principalmente pelos gases.

7.3.2 – Análise diária da produção real de energia

A partir dos dados fornecidos pelo próprio sistema de valorização em estudo é possível obter uma

distribuição diária de energia elétrica produzida.

Observando o gráfico 12, é possível verificar que a produção de energia elétrica não é constante ao

longo do dia.

Para os dias em análise, as pequenas oscilações ao longo do dia são em grande parte causadas

pelas variações da constituição do biogás. As variações mais acentuadas estão ligadas á paragem do

motor, principalmente dor defeito elétrico, estas paragens poderão estra relacionadas com picos de

consumo de energia elétrica nas redondezas do aterro sanitário dado que este localiza-se perto de

uma zona industrial. Após uma paragem é possível verificar um pico de produção devido ao aumento

da concentração de metano no biogás, este aumento de concentração poderá estar ligado a

53

diminuição da depressão no sistema, devido a paragem do Ventilador (Booster), diminuindo a entrada

de ar para o sistema.

Gráfico 12 - Energia eléctrica média horária

Apesar das oscilações verificadas é possível ainda observar uma certa tendência para um

abaixamento de produção entre as 11 horas e as 19 horas, fruto da variação da temperatura, uma

vez que com o aumento das temperaturas, a densidade do biogás e do ar baixa, diminuindo a massa

de mistura que entra dentro de cada cilindro.

7.3.3 – Análise mensal do caudal de CH4 e da produção de energia

elétrica real

A partir dos dados relativos à produção média diária de energia elétrica calculou-se qual a potência

horária média mensal produzida.

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

kWh

ele

c

Hora

Energia eléctrica média horária

05-10-2011

06-10-2011

07-10-2011

08-10-2011

09-10-2011

10-10-2011

11-10-2011

54

Gráfico 13 - Potência elétrica média mensal

Do mesmo modo, a partir do caudal médio diário com a respetiva percentagem de metano, procedeu-

se ao cálculo do caudal médio mensal de metano.

Gráfico 14 - Caudal de metano médio mensal

0

100

200

300

400

500

600

700kW

Potência eléctrica média mensal Mai-11

Jun-11

Jul-11

Ago-11

Set-11

Out-11

Nov-11

Dez-11

Jan-12

Fev-12

Mar-12

Abr-12

Mai-12

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Nm

3/h

Caudal de CH4 médio mensal Mai-11

Jun-11

Jul-11

Ago-11

Set-11

Out-11

Nov-11

Dez-11

Jan-12

Fev-12

Mar-12

Abr-12

Mai-12

55

Analisando os gráficos 13 e 14, como já previsto, é possível concluir facilmente que a produção de

energia do sistema em estudo encontra-se fortemente ligada ao caudal de metano disponível, apesar

da discrepância observada no mês de Maio e Outubro de 2011.

A discrepância observada no mês de Maio está associada a erros de medição da sonda de metano,

que chegou a apresentar percentagens de metano muito perto dos 70% em grande parte dos dias,

valor altamente anormal para o biogás de aterro. A discrepância observada no mês de Outubro

poderá estar ligada à fraca amostra de dados, sendo que só foram disponibilizados os dados de dia 1

a dia 12.

No gráfico 13 é possível verificar que a partir do mês de Junho de 2011 a produção de energia

elétrica foi baixando gradualmente até o mês de Fevereiro de 2012, atingindo nesse mês uma queda

mais acentuada. No mês de Março observou-se uma recuperação considerável na produção de

energia elétrica.

No entanto, uma análise atenta demonstra que a queda de produção de Setembro de 2011 para

Outubro 2011 é ligeiramente inferior às quedas de produção dos restantes meses.

A situação referida anteriormente e o aumento da produção de energia no mês de Março de 2012

estão relacionadas com os períodos de execução de novos furos para drenagem de biogás.

Contudo, apesar da realização dos novos furos, observa-se sistematicamente um decaimento da

disponibilidade de metano e a consequente redução na produção de energia.

7.3.4 – Comparação estimativa VS produção real de energia

produzida

A partir da análise mensal realizada anteriormente far-se-á uma comparação entre as estimativas

teóricas realizadas previamente e os resultados reais obtidos para o primeiro ano de exploração,

dados importantes para validação das estimativas efetuadas.

No estudo prévio obteve-se uma produção média anual de 741 kW, potência superior à média de

produção, média obtida nos primeiros 12 meses de exploração, que revela uma produção de

aproximadamente 522 kW. Esta discrepância demonstra bem a dificuldade/fragilidade da estimativa

da produção/captação do biogás de aterro.

No subcapítulo 6.1.3, apesar dos vários parâmetros estimados fez-se referência aos dois valores que

DOCf poderia tomar segundo a bibliografia consultada (0,77 ou 0,5). Posto isto após testes do valor

de DOCf na folha de cálculo elaborada para a estimativa de biogás mantendo todos os outros

parâmetros, obteve-se que para um DOCf de 0,55 obtemos uma previsão de 520 KW para o primeiro

ano, valor muito mais próximo da produção real.

Assim, assumindo que o valor de DOCf adequado ao aterro em questão é de 0,55 obtém-se a curva

de produção de energia eléctrica representada no gráfico 15.

56

Gráfico 15 - Previsão da produção de energia para um DOCf de 0,55

Com a calibração do parâmetro aqui abordado perspetiva-se que o grupo em questão atingirá apenas

a produção máxima a partir de 2019, refletindo-se no aumento de um ano face ao período de

recuperação do investimento.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2001 2011 2021 2031 2041

Po

tên

cia

[KW

]

Ano

Potência disponível VS aproveitada

Pot.Aproveitada

Pot.Disponivel

57

8 - Otimização do sistema de valorização

Como já exposto, a quantidade de energia elétrica e térmica produzida encontra-se, inevitavelmente,

ligada à quantidade e constituição do biogás de aterro a ser valorizado.

Há pouco a fazer no que diz respeito à produção/constituição do biogás de aterro. Contudo após a

realização do presente trabalho e de acordo com a informação que fui recolhendo a partir do contacto

que tive com diversas instalações de valorização energética do biogás de aterro, existem certos

pormenores na gestão do aterro e no projeto do sistema de valorização do biogás que podem

otimizar a produção de energia.

8.1 – Otimização do sistema de captação

De seguida são enunciadas algumas alterações que poderão contribuir para uma otimização do

sistema, no que concerne à valorização energética do biogás de aterro.

- Execução de coletores de biogás para onde convergem as tubagens de drenagem de biogás,

facilitando o controlo da depressão em cada furo de acordo com a Figura 23.

Figura 23 - Colector de biogás [32]

- Criação de uma malha retangular por patamar. Por forma a facilitar a drenagem do biogás para os

furos de captação. Desta forma, maximizar-se-á a quantidade de biogás captado, pois caso existam

caminhos preferenciais para o escoamento do biogás que não intersectem os raios de captação dos

furos, este poderá escapar-se para a atmosfera.

- As condutas principais deverão ser localizadas sobre superfícies regulares e amplas por forma a

possibilitar as dilatações térmicas, conforme representado na Figura 24.

58

Figura 24 - Conduta principal de drenagem de biogás (Resulima)

- A ligação das cabeças dos furos à tubagem de ligação da conduta secundária deve ser realizada

com tubo flexível com uma estrutura de reforço na zona de ligação à cabeça, por forma a evitar a

rotura da conduta com o abatimento do aterro e dilatações térmicas de acordo com a Figura 25.

Figura 25 - Cabeça de um furo vertical com ligação flexível (Resulima)

- Caso o aterro não possua recirculação de lixiviados ou qualquer outro sistema que possibilite a

humidificação do aterro, o topo do aterro deverá ser coberto apenas por uma camada de argila,

exceto nas zonas das cabeças dos furos de captação que deverão possuir uma tela com raio de

aproximadamente 5 metros, de modo a minimizar a entrada de oxigénio para a linha.

- Todas as condutas de drenagem do biogás deverão estar dotadas de um sistema para purgar os

condensados conforme representado 26.

59

Figura 26 - Sistema para purgar os condensados das condutas de biogás (Resulima)

- Aplicação de válvulas de esfera nas cabeças dos furos, permitindo um controlo mais fino da

depressão aplicada em cada furo.

- As tubagens a aplicar deverão ser de polietileno de alta densidade com resistência mínima de 10

MPa (PN10), por forma a garantir a consistência estrutural da rede de captação, principalmente das

tubagens que ficam suspensas.

8.2 – Plano de gestão do sistema

O sistema de valorização em questão possui dois modos de funcionamento, por imposição do caudal

ou por imposição da percentagem de produção de energia elétrica em relação à produção máxima.

Na primeira forma, ao fixar o valor do caudal, a produção de energia elétrica vai aumentando com o

aumento da percentagem de metano no biogás. Relativamente à segunda forma, uma vez imposta a

percentagem de produção de energia elétrica, o caudal de biogás vai-se ajustando conforme a

percentagem de metano, até atingir o caudal máximo que o motor admite16

ou que o booster

consegue fornecer ao motor17

.

O segundo modo aqui referido acarreta o risco de interrupção da produção do biogás de aterro, pois a

extração excessiva do biogás de aterro tem por consequência uma degradação das condições ótimas

necessárias à síntese do metano (introdução de oxigénio no aterro).

Por forma a retirar o máximo partido da valorização energética do biogás de aterro há que realizar

uma manutenção assídua do sistema de captação do biogás, que consiste na regulação diária das

16

No caso do motor em questão, o caudal máximo de biogás admitido pelo motor por forma a garantir a potência máxima é de 470Nm

3/h com 40% de CH4

17 O booster instalado no sistema em estudo consegue garantir um caudal máximo de biogás de 300 Nm

3/h para

o motor.

60

válvulas que se encontram nos terminais dos furos, na limpeza comedida dos furos (lixiviados), na

certificação diária do escoamento dos condensados e na realização da rega do aterro com água e/ou

lixiviados, caso necessário.

A afinação das válvulas dos furos consiste em abrir ou fechar a válvula de modo a impor a depressão

necessária para garantir uma percentagem volumétrica de O2<1%18

e uma percentagem volumétrica

de CH4 o mais alta possível, se exequível não inferior a 45%. A referida afinação é um processo

iterativo, uma vez que a alteração da depressão num furo afeta a depressão de todos os outros.

Como tal, após uma primeira afinação é necessária, pelo menos, uma segunda regulação para que o

sistema cumpra as especificações, anteriormente, referidas.

A limpeza dos lixiviados deve ser realizada tendo sempre em consideração a quantidade de lixiviados

drenados na limpeza anterior e a qualidade/quantidade19

de biogás em cada furo. Os furos que

possuam uma formação mais intensa de lixiviados deverão ser limpos com mais frequência aquando

de uma queda de produção de metano. Por outro lado, quando um furo possui uma fraca produção

de metano e este encontra-se com pouco lixiviado poderá sempre ser introduzido algum lixiviado

como tentativa de ativar o furo20

Relativamente aos condensados, é necessária uma inspeção diária das condutas de transporte de

gás e do sistema de purga, para manter a conduta secundária o mais nivelada possível e garantir que

as purgas não se encontram obstruídas.

8.3 – Otimização do aproveitamento de energia térmica disponível

Na sequência do já exposto no ponto 7.3.1, verifica-se que cerca de 50% da energia térmica

disponível (aproximadamente 400 kW à carga máxima) é libertada diretamente para a atmosfera,

pelos gases de escape, sem que se realize qualquer tipo de recuperação.

No caso particular do grupo em estudo, uma vez que não existem consumidores de energia térmica

nas redondezas, esse calor poderá ser aproveitado para o tratamento de lixiviados ou para a

obtenção de mais energia elétrica.

8.3.1 – Tratamento de lixiviados

O sistema de tratamento de lixiviados consiste em aquecer o tanque dos lixiviados com a água

quente proveniente de um permutador instalado à saída dos gases de escape, reduzindo

simultaneamente a pressão no tanque através de uma bomba de vácuo. No tanque aquecido e em

vácuo, a fase gasosa é separada da fase líquida (pasta). O vapor é então encaminhado para um

outro permutador de placas onde condensa originando água destilada [33]. A água obtida pode ser

18

Para uma concentração de O2 >1% corre-se o risco de matar as bactérias responsáveis pela síntese do biogás. 19

Caso a instalação possua um caudalímetro portátil. 20

Durante a limpeza de um dos furos no aterro da Valorlis, colocou-se lixiviado num furo cuja concentração de metano não excedia os 35% e este passou a emitir biogás com cerca de 50%.

61

drenada para o solo, diretamente, sem quaisquer tratamentos adicionais. A pasta líquida é então

enviada para compostagem/secagem, ou diretamente para aterro.

8.3.2 – Conversão em energia elétrica

Segundo Petchers [28], com um motor de explosão com uma eficiência de 39% é possível obter

temperaturas nos gases de escape capazes de fazer acionar uma turbina a vapor, aumentando cerca

de mais 1/5 a potência instalada.

Em Portugal, na Suldouro já se encontra instalado um sistema similar ao descrito anteriormente com

uma ligeira diferença no que diz respeito ao fluido de trabalho, uma vez que no referido sistema, o

fluido de trabalho é um fluido orgânico, que realiza o ciclo conforme representado na Figura 27.

Figura 27 – Diagrama de fluxo simplificado (Bujitenen, 2009) [34]

62

9 – Conclusões

Com base no estudo realizado e nas tarefas que tenho vindo a desempenhar no que diz respeito à

valorização energética do biogás de aterro, é possível concluir que a qualidade/quantidade de biogás

aliada a um bom sistema de drenagem de biogás e dotado de um bom sistema de drenagem de

lixiviados, conjuntamente com um sistema de humidificação (recirculação de lixiviados e condensados

ou introdução de água) são a base para a realização de um eficiente sistema de valorização

energética do biogás de aterro.

As estimativas de produção de biogás bem como da sua constituição revelam-se fatores de extrema

importância no estudo de viabilidade económica e no correto dimensionamento deste tipo de

sistemas. Como tal, sempre que possível, deverão ser realizadas tendo em consideração as

características específicas de cada aterro, por forma a minimizar a discrepância entre a estimativa e a

produção real, no caso em estudo o CODf utlizado revelou-se demasiado otimista dada a produção

real de metano.

Quanto à análise económica, com base no estudo aqui realizado, conclui-se que este tipo de

sistemas revela-se uma boa aposta para investimentos de capital, pois possui uma boa margem de

lucro para uma grande margem de erro relativamente à estimativa de produção de metano, o

parâmetro chave de todo o processo.

Ambientalmente, a valorização energética do biogás revela-se um processo de tratamento de biogás

importante e eficiente para a redução da emissão de gases com elevado peso no aquecimento global.

O sistema em estudo, poderá tornar-se mais rentável se forem realizadas algumas alterações a nível

do sistema de captação do biogás e do sistema de recuperação de energia térmica.

63

10 - Referências Bibliográficas

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