estudo energético, ambiental e económico da valorização ... · viabilidade económica do...
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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
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