Geração de energia elétrica a partir de biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando

microturbina a gás Vanessa Pecora Garcilasso

Edgardo Vescovo

São Paulo, 29 de Março de 2012

4º Congresso de Cogeração de Energia

Biogás

Conjunto de gases formado na degradação da

matéria orgânica em meio anaeróbio

Digestão Anaeróbia: Processo fermentativo, sem a presença de oxigênio, em que a matéria orgânica é degradada a compostos mais

simples, formando, basicamente, metano e gás carbônico.

Composição Média do Biogás

Fonte: WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000

COMPONENTE QUANTIDADE Metano 60% Dióxido de Carbono 35% Outros Gases – Hidrogênio, Nitrogênio, Oxigênio, Amônia, Ácido Sulfídrico, Aminas Voláteis e Monóxido de Carbono

5%

Metano: cerca de 21 vezes mais impactante que o CO2

Geração de energia com biogás de tratamento de efluentes

Tecnologia disponível comercialmente

• Turbinas a gás para biogás: Microturbinas (30 kW – 100

kW): • Rendimento: 27% • Emissões de N0x : máx

de 9 ppm (Capstone)

Microturbinas para biogás Capstone Turbines

Microturbinas a Gás

Controlador de potência

Microturbina

Entrada de ar

Exaustão

Painel de controle

0-30; 0-60 kW 400-480 VAC/DC

Entrada de combustível

Microturbinas a Gás no Mundo • Burnbanks Landfill (Burbanks

Department of Water and Power) – 10 turbinas de 30 kW = 300

kW (gás de aterro) – Venda de energia para a rede – US$ 550.000 – US$

1.800/kW – US$ 250.000 doado pela

California Energy Comission

Foto CENBIO 2001

• ETE San Diego - San Elijo Joint Powers Authority – 3 turbinas de 30 kW

(demanda de até 550 kW – pico)

– Biogás = 2.150 m3/dia – Esgoto = 140 l/s – Custo total =US$ 240.000

(2.666 US$/kW) – Doações = US$ 105.000:

• Califórnia Energy Comission = US$ 25.000

• Public Utility Comission = US$ 80.000

Microturbinas a Gás no Mundo

Potência Rendimento Emissões de NOx

Motores ciclo Otto 4 kW – 1,54 MW 30% – 40% 250 ppm – 3.000 ppm

Microturbinas 30 kW – 1 MW 24% - 28% < 9 ppm

Fonte: CENBIO, 2003

Comparação das emissões entre as tecnologias de conversão – pequeno porte

Dados levantados projeto Enerbiog-Finep

Comparação das Emissões

Microturbinas a Gás

Vantagens As microturbinas apresentam os seguintes benefícios: - Baixos níveis de ruídos e vibrações - Flexibilidade de combustível, dentre eles o biogás - Dimensões reduzidas e simplicidade de instalação, podendo ser instalada em locais cobertos ou ao ar livre -Emissões de NOx são menores que 9 ppm nas microturbinas de baixa potência (30 a 100 kW) e podem chegar a 100 ppm nas de maior potência

- Baixo custo de operação e manutenção: 3 a 10 US$/MWh / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh

Microturbinas a Gás

Desvantagens - Equipamentos importados: investimento inicial elevado. As potências hoje disponíveis no mercado variam de 30 kW a 1,0 MW - Baixo rendimento: aproximadamente 27%. Porém, quando utilizadas em instalações de cogeração, sua eficiência pode chegar a mais de 80% - Alto custo de instalação (valores não incluem sistema de tratamento e compressão do biogás): 1.000 – 1.500 US$/kW / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh - Necessidade de um rígido sistema de limpeza do biogás e remodelação da microturbina para sua queima, já que o biogás possui baixo poder calorífico

• Custo do equipamento (30 kW) para utilização com biogás: ~ R$ 140.000,00

• Custo mensal de manutenção: ~ R$ 5.000,00 (incluindo os serviços e as peças de reposição para 10 anos de operação do equipamento)

• Custo do sistema de tratamento do biogás: ~ R$ 70.000,00

• Custo médio da energia elétrica: 0,40 R$/kWh

• Considerando o custo acima para produção de energia de 219.000 kWh e economia anual de R$ 91.104,00, tem-se retorno de investimento em aproximadamente 6 anos (considerando os custos de manutenção)

Dados enviados pela Capstone em Agosto de 2011

Microturbinas a Gás

“Geração de Energia Elétrica a partir do

Biogás de Tratamento de Esgoto da ETE da SABESP em Barueri”

ETE da Sabesp de Barueri

• Dados Técnicos (2005):

– Quantidade de Esgoto Tratado = 7,0 m3/s – Produção Média de Biogás = 24.000 m3/dia – Demanda energética da ETE = 9 MW – Consumo de Energia Elétrica = 5.584 MWh/mês (2005) – Projeto FINEP - Testes comparativos das tecnologias

– adaptações dos sistemas de limpeza do gás – levantamento dos dados técnicos – levantamento de custos operacionais e de manutenção

– Equipamentos instalados (projeto) • Microturbina: 30 kW • Motor ciclo Otto: 30 kW

MONTAGEM DA PLANTA PILOTO NA ESTAÇÃO DE BARUERI

MICROTURBINA CAPSTONE (30 kW)

Inauguração

TECNOLOGIA EMPREGADA

Válvula Esfera 1

Secador por Refrigeração 2 Compressor

de Palhetas

Filtro de Carvão Ativado

Filtro Coalescente 1

Manômetro

Sensor de Temperatura 1

Plug Reserva 1

Sensor de Pressão 1

Válvula Esfera 2

Válvulas Esfera 3 e 4

Filtro Coalescente 2

Plug Reserva 3

Plug Reserva 2

Separador de Líquido com Dreno

Sensor de Temperatura 2

Sensor de Pressão 2

Filtro Coalescente 3

Filtro de Gás

Válvula Reguladora de

Pressão

Válvulas Esfera 5 e 6

Medidor de Vazão

Plug Reserva 4 e 5

Sensor de Pressão 3

Sensor de Temperatura 3

Tubulação de Aço Inox Rígida

Tubulação de Aço Inox Flexível

Saída do Gás de Exaustão

Microturbina Capstone

Secador por Refrigeração 1

COMPRESSOR SECADOR POR

REFRIGERAÇÃO

Equipamentos

OPERAÇÃO DA PLANTA PILOTO NA ESTAÇÃO DE

BARUERI MICROTURBINA CAPSTONE

(30 kW)

Grupo Gerador (Motor Ciclo Otto)

MOTOR CICLO OTTO 30 kW PARA COMPARAÇÃO

Comparação dos resultados das análises do biogás com as especificações definidas pelo

fabricante Capstone

Variante Unidade Capstone Barueri Observações

O2 % Volume 0 – 10 0,00 - 6,30 Aprovado

N2 % Volume 0 – 50 0,22 - 23,8 Aprovado

CO2 % Volume 0 – 50 25,0 - 33,3 Aprovado

CH4 % Volume 30 – 100 44,1 - 69,94 Aprovado

H2S ppm em vol. 0 – 70.000 19 - 230 Aprovado

H2O (P.O.) % Volume 0 – 5 0,1 - 2,8 Aprovado

P.C.I. kJ/m3 13.800 – 27.605 14.715 - 23.852 Aprovado

Fonte: CENBIO, 2003

Investimentos/custos operacionais

Dados levantados

•Geração com Microturbina de 30 kW:

> Energia elétrica (média) gerada : 25 kWh > Energia elétrica líquida entregue à rede (perdas – compressor e secadores): 19,5 kWh > Equipamentos: 151.046,40 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 96.806,00 (R$) > Relação custo por kW instalado: 0,32 R$/kWh

• Geração com Motor Ciclo Otto de 30 kW:

> Energia elétrica (média) gerada : 25 kWh > Energia elétrica líquida entregue à rede: 25 kWh > Equipamentos: 68.000,00 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 25.816,00 (R$) > Relação custo por kW instalado: 0,10 R$/kWh

Viabilidade Econômica da Utilização de Biogás

• Geração de parte da energia consumida nos processos (diminuição da energia comprada da concessionária local) • Além da geração de energia elétrica, o biogás pode ser utilizado para a geração de energia térmica e o calor gerado pode ser utilizado no aquecimento dos próprios biodigestores (cogeração) • Venda de excedente de energia – viabilidade depende da tarifa e do preço de venda à concessionária • Obtenção e comercialização de créditos de carbono – impacto reduzido na economicidade do processo (matriz elétrica brasileira com base em hidroeletricidade)

Obrigado!

Vanessa Pecora Garcilasso Edgardo Vescovo

São Paulo, 29 de Março de 2012

4º Congresso de Cogeração de Energia