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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
ESTUDO DE VIABILIDADE DA IMPLANTAÇÃO DE UM BIODIGESTOR
SERTANEJO NO ASSENTAMENTO TRANGOLA EM CURRAIS NOVOS (RN).
IAN MACEDO SILVA
NATAL – RN, 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
ESTUDO DE VIABILIDADE DA IMPLANTAÇÃO DE UM BIODIGESTOR
SERTANEJO NO ASSENTAMENTO TRANGOLA EM CURRAIS NOVOS (RN).
IAN MACEDO SILVA
NATAL – RN
2019
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
Química da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte como parte dos
requisitos para a obtenção do título de
Engenheiro Químico, orientado pelo
Prof. Dr. André Luis Lopes Moriyama.
AGRADECIMENTOS
A minha família, pelo amor e incentivo diário durante toda a jornada de minha
graduação, em especial aos meus pais, por terem me mostrado o caminho correto a se
seguir.
A esta universidade e aos docentes do Departamento de Engenharia Química,
por terem me proporcionado excelente formação.
A ONG Engenheiros sem fronteira, especialmente ao núcleo Natal, que me
fizeram enxergar mais longe, sem eles esse trabalho não existiria.
A todos que fizeram parte da minha formação como engenheiro, indireta ou
diretamente, o meu muito obrigado.
RESUMO
Na região nordeste, principalmente no sertão nordestino, existem muitas
comunidades que se localizam afastadas das cidades, e por isso, têm condições de vida
um pouco mais complicadas. Muitas vezes essas comunidades se sustentam através da
agropecuária familiar, sem nenhuma renda fixa, o que pode gerar muitas dificuldades.
No entanto existem diversas tecnologias sociais que buscam mitigar algumas das
dificuldades pelas quais essas pessoas passam. O exemplo mais conhecido de uma
tecnologia para esse fim é a cisterna, que acumula a água das chuvas para que essas
famílias possam passar pela época de seca.
O biodigestor sertanejo é uma tecnologia social que utilizando os conhecimentos
da engenharia desenvolvidos, traz uma forma que é possível gerar gás inflamável, que
pode ser utilizado para atividades como cocção, iluminação, ou até mesmo geração
energética, através de um motor gerador.
Para que ocorra a instalação do equipamento, é sempre desejável analisar a
viabilidade do empreendimento, tanto técnica quanto financeira, verificando se as
características geográficas do local onde a instalação é prevista estão de acordo com o
esperado para o funcionamento sem problemas do equipamento e se o que será
produzido é viável para se recuperar tudo o que foi investido para que o equipamento
fosse construído e entrasse em funcionamento em um tempo que esteja de acordo com o
período pelo qual o equipamento vai funcionar.
Com a análise dessas informações é então possível, antes mesmo da instalação
do equipamento, saber qual é o melhor uso para o biogás e para o biofertilizante
produzido, de acordo com as caraterísticas do local, da produção agrícola e criação de
animais, das principais necessidades das famílias e dos custos de vida da família.
Palavras-chaves: Biodigestor, tecnologia social, viabilidade, agropecuária
familiar, biogás, biofertilizante.
ABSTRACT
In the northeastern region, mainly in the northeastern sertão region, there are
many communities that are located a little far from the cities, and therefore have a little
more complicated living conditions. Often these communities sustain themselves
through family agriculture, with no fixed income, which can generate many difficulties.
However, there are a number of social technologies that seek to mitigate some of the
difficulties these people face. The best known example of a technology for this purpose
is the cistern, which accumulates rainwater so that these families can go through the dry
season.
The sertanejo biodigestor is a social technology that uses the developed
engineering knowledge brings a way that it is possible to generate flammable gas,
which can be used for activities such as cooking, lighting, or even power generation,
through a motor generator.
In order for the installation of the equipment to take place, it is always
desirable to analyze the viability of the undertaking, both technical and financial,
verifying that the geographical characteristics of the place where the installation is
planned are in line with what is expected for the equipment to operate without
problems, and if the that will be produced is feasible to recover everything that was
invested so that the equipment was constructed and put into operation in a time that is
according to the period by which the equipment will work.
By analyzing this information, it is then possible, even before the installation
of the equipment, to know what is the best use for the biogas and for the biofertilizer
produced, according to the characteristics of the site, the agricultural production and
livestock, the main needs of the families and of the costs of life of the family.
Key-Words: Biodigestor, social technology, viability, family farming, biogas,
biofertilizer.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Biodigestor modelo Batelada. .......................................................................... 7
Figura 2 - Representação tridimensional de um corte do biodigestor modelo Batelada. . 8
Figura 3 - Biodigestor modelo indiano.. ......................................................................... 10
Figura 4 - Esquema de um biodigestor modelo Indiano. ................................................ 11
Figura 5 - Representação tridimensional de um corte de um biodigestor modelo
Indiano.. .......................................................................................................................... 12
Figura 6 - Biodigestor modelo Chinês. ........................................................................... 13
Figura 7 - Esquema de um biodigestor modelo Chinês. ................................................. 14
Figura 8 - Representação tridimensional de um corte de um biodigestor modelo Chinês
........................................................................................................................................ 15
Figura 9 - (a) Vista superior de um biodigestor sertanejo (b) Vista lateral de um
biodigestor sertanejo. ...................................................................................................... 16
Figura 10 - Etapas de produção do biogás ...................................................................... 19
Figura 11 - Localização do assentamento Trangola ....................................................... 28
Figura 12 - Dados climáticos da região onde fica o assentamento Trangola ................ 30
Figura 13 - Custos anuais do biodigestor ....................................................................... 41
Figura 14 - Custos anuais do motor-gerador .................................................................. 44
Figura 15 - Comparação entre os tempos de retorno para cada um dos cenários .......... 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dejetos animais produzidos por dia em propriedades rurais. .......................... 3
Tabela 2 - Composição dos dejetos de gado..................................................................... 3
Tabela 3 - Produção de biogás de acordo com o tipo de gado. ........................................ 4
Tabela 4 - Produção de esterco fresco diário. ................................................................. 32
Tabela 5 - Custo do biogás por m³ de acordo com o tempo de amortização. ................. 37
Tabela 6 - Dados de consumo e gasto anual do assentamento. ...................................... 38
Tabela 7 - Produção anual do assentamento para o biodigestor. .................................... 38
Tabela 8 - Investimento em manutenção ........................................................................ 39
Tabela 9 - Custo anual do biodigestor de acordo com o tempo de amortização ........... 40
Tabela 10 - Custo do kW de acordo com o tempo de amortização ............................... 42
Tabela 11 - Consumo e gasto anual com energia elétrica no assentamento. .................. 42
Tabela 12 - Produção anual de biogás, energia e biofertilizante .................................... 43
Tabela 13 - Custo anual do motor-gerador de acordo com o tempo de amortização. .... 43
Tabela 14 - Produção anual do assentamento com duas utilizações para o biogás ........ 44
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Reação de formação do biogás ................................................................... 18
Equação 2 - Equação estequiométrica da formação do biogás ....................................... 18
Equação 3 - Reação de hidrólise..................................................................................... 10
Equação 4 - Reação das metanogênicas hidrogenotróficas ............................................ 11
Equação 5 - Reação das metanogênicas acetoclásticas .................................................. 12
Equação 6 - Custo do biogás. ......................................................................................... 13
Equação 7 - Custo anual do biodigestor ......................................................................... 14
Equação 8 - Fator de recuperação do capital. ................................................................. 15
Equação 9 - Tempo de retorno do investimento no biodigestor ..................................... 16
Equação 10 - Custo da energia ....................................................................................... 19
Equação 11 - Produção da eletricidade........................................................................... 25
Equação 12 - Custo anual com biogás ............................................................................ 26
Equação 13 - Custo anual do motor gerador. ................................................................. 26
Equação 14 - Tempo de retorno do investimento com cogeração .................................. 26
Equação 15 - Volume do biodigestor. ............................................................................ 33
Equação 16 - Densidade do esterco. ............................................................................... 33
Equação 17 - Volume do cilindro ................................................................................... 34
Equação 18 - Carga diária .............................................................................................. 34
Equação 19 - Volume da caixa de descarga ................................................................... 35
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1
2. REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................. 2
2.1. Resíduos da agropecuária familiar ................................................................. 2
2.2. Benefícios dos biodigestores ......................................................................... 5
2.3. Modelos de Biodigestores .............................................................................. 5
2.3.1. Biodigestor de batelada ........................................................................ 6
2.3.2. Biodigestor contínuo ............................................................................ 8
2.3.2.1. Modelo indiano ........................................................................... 9
2.3.2.2. Modelo chinês ........................................................................... 12
2.3.2.3. Modelo sertanejo ...................................................................... 15
2.4. Biomassa ..................................................................................................... 17
2.5. Fermentação anaeróbica ............................................................................. 17
2.6. Formação do biogás .................................................................................... 18
2.6.1. Hidrólise ............................................................................................. 19
2.6.2. Acidogênese ....................................................................................... 20
2.6.3. Acetogênese ....................................................................................... 20
2.6.4. Metanogênese .................................................................................... 20
2.7. Condições operacionais .............................................................................. 20
2.7.1. Concentração de nutrientes ................................................................ 21
2.7.2. Condições de pH ............................................................................... 21
2.7.3. Temperatura ....................................................................................... 21
2.7.4. Tempo de retenção hidráulica ............................................................ 22
2.8. Cogeração energética .................................................................................. 22
2.9. Eficiência da conversão do biogás em energia elétrica .............................. 23
2.10. Análise econômica da produção de biogás .............................................. 23
2.11. Análise econômica da produção de energia elétrica ............................... 24
2.12. Utilização do biofertilizante ..................................................................... 25
3. VIABILIDADE DA REGIÃO ............................................................................ 28
4. DIMENSIONAMENTO DE UM BIODIGESTOR PARA O ASSENTAMENTO
TRANGOLA ....................................................................................................... 32
5. VIABILIDADE ECONÔMICA DA OPERAÇÃO ............................................. 36
6. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 46
1
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da agricultura familiar no Brasil está diretamente associado
aos investimentos recebidos, esses investimentos sem sombra de dúvidas trazerem
tecnologias que atuam nas necessidades da população rural. O aproveitamento da maior
parte do que é produzido se torna um ponto chave para a sobrevivência de muitas
comunidades rurais, as quais estão geralmente bem distantes dos centros urbanos e tem
pouca possibilidade de locomoção até esses centros, fazendo com que tenham que
procurar os meios de sobreviver através de sua produção. A grande maioria das famílias
que vivem nessas comunidades não tem meio de renda fixa.
Em regiões como o sertão nordestino, esse cenário pode tornar-se ainda um
pouco mais complicado, a pouca quantidade de chuvas dificulta ainda mais qualquer
atividade rural, assim é necessário que comunidades nesse tipo de situação recebam um
pouco mais de investimento. Na atual realidade de comunidades do sertão nordestino
não possuir uma cisterna faz com que seja extremamente difícil sobreviver da
agricultura e da criação de animais.
Essa realidade faz com que seja difícil para essas famílias sustentar os custos de
vida em uma região como essa, onde as pessoas acabam dependendo da agricultura
familiar, o que pode se tornar inviável para que essas pessoas continuem vivendo nessa
região. Para reduzir o custo de vida, essas comunidades utilizam algumas alternativas,
como ao invés de cozinhar utilizando um fogão a gás, cozinha-se utilizando lenha para
reduzir o custo, assim algo simples como cozinhar em um fogão a gás, como a maioria
das pessoas faz no seu dia a dia, torna-se certo luxo para esse pessoal.
A ideia de uma tecnologia que possa dar a essas famílias um meio de obter gás
inflamável, para que eles possam ou cozinhar ou gerar energia para as suas residências,
utilizando algo que geralmente é descartado, que são os dejetos dos animais, tem o
potencial de mudar o panorama da vida dessas pessoas, e assim como a cisterna se
tornou um artigo essencial para quem vive nesse tipo de região, um biodigestor tem o
potencial para fazer o mesmo. Há potencial para tornar essas comunidades mais
independentes, diminuir os custos de vida que acabam levando boa parte do pouco
capital financeiro que eles têm.
O sertão nordestino, com as suas características climáticas, se mostra um local
bem apropriado para a implantação dessa tecnologia, tendo um enorme potencial de ser
algo que realmente tenha impacto positivo na qualidade de vida dessas pessoas.
2
2. REFERENCIAL TEÓRICO
A qualidade de vida que o ser humano tem é diretamente relacionada com o
acesso que ele possui a serviços fundamentais, entre eles está o saneamento básico e o
tratamento de esgotos. No Brasil existe um grande déficit em relação ao saneamento
básico, o esgotamento sanitário chega apenas a 1% dos municípios, com a maioria
utilizando fossas, as quais apenas 15% realmente cumprem sua função e tem o efeito
despoluitivo (MARQUES et al., 2012).
Assim o saneamento em áreas rurais também é problema a ser enfrentado,
existem várias tecnologias que se propõe a atuar sobre esse problema no ambiente rural,
mas a utilização de biodigestores tem como agregar valor às atividades desenvolvidas,
além de ser uma correta destinação para os resíduos que são gerados na atividade
agrícola. Pode ser uma solução também para o manejo dos dejetos vindos da criação de
animais, dispondo-os de uma maneira correta, o que promove ainda a sustentabilidade a
partir do aproveitamento do biogás e biofertilizante como os produtos da operação.
2.1 Resíduos da Agropecuária Familiar
A forma que se faz o manejo dos resíduos gerados a partir da criação de animais
é de grande preocupação, feito de forma errada podem trazer grandes problemas quanto
à degradação ambiental, poluindo mananciais, solo, ar e, desse modo, trazer
consideráveis prejuízos à qualidade de vida das populações rurais, bem como
comprometem a sobrevivência da flora e fauna (BARICHELLO et al. 2015). A
gravidade do problema ficou exposta quando passou a ser mais comum a criação de
animais em regime de confinamento, em que os dejetos que antes ficavam distribuídos
pelo pasto agora ficam restritos a pequenos lugares com manejo inadequado (Bosco et
al. 2016). A destinação dos resíduos agrícolas e dejetos animais é um grande problema
enfrentado pelos agricultores, pelo efeito contaminante do solo e das águas de rios e
lençóis freáticos e a biodigestão constitui uma alternativa viável para atender os
requisitos ambientais e de saúde pública (Nogueira et al. 2015). Na Tabela 1 encontra-se
o potencial gerador da quantidade diária de dejetos, produzidos por espécie animal em
áreas rurais.
3
Tabela 1 - Dejetos animais produzidos por dia em propriedades rurais.
Animal Kg de Dejeto/Dia
Bovino 10 a 50
Equino 10 a 12
Ovino 2,80
Suíno 2,25
Galinha 0,18
Fonte: Adaptado de Silva (1987), Pereira (1986) e Santos (2000).
O emprego dos resíduos gerados na criação animal é hoje em dia amplamente
utilizado nos processos de biodigestão anaeróbia por sua elevada degradabilidade na
ausência de ar. Esses resíduos possuem uma grande quantidade de matéria orgânica e
costumam ser bem concentrados
Quando o foco é na atividade pecuária pode-se encontrar resíduos que
apresentam diferentes degradabilidades e concentrações, pois eles estão diretamente
ligados a tudo que envolve o animal, desde a sua alimentação até o manejo desse
resíduo. Na Tabela 2 podemos ver a composição dos dejetos do gado de diferentes
portes.
Tabela 2 – Composição dos dejetos de gado.
Animal Quantidade
diária de
resíduo (l)
Concentração (g/l)
Sólidos
totais
Sólidos
voláteis
Nitrogênio Fósforo Potássio
Vaca leiteira
de até 600 kg
10 - 50 90 70 4,5 1,7 5,4
Bezerro de até
150 kg
5 - 15 90 70 3,7 2,1 5,0
Bovino de
engorda de até
520 kg
10 - 20 90 70 3,7 2,1 5,0
4
Fonte: Adaptado de Santos (2000) e Farret (2010).
O tempo que a biodigestão leva varia de resíduo para resíduo, em função da sua
degradabilidade, o que é um fator determinante na produção do biogás.
Em boas condições para o desenvolvimento das bactérias anaeróbias, tendo
matéria orgânica haverá a fermentação e terá como produto principal o biogás, a
depender da matéria orgânica utilizada a produção de biogás poderá ser maior ou
menor, para resíduos da pecuária, há o potencial da seguinte produção. Podemos ver na
Tabela 3 a produção de biogás para animais de diferentes portes.
Tabela 3 – Produção de biogás de acordo com o tipo de gado.
Animal Produção específica de
biogás (m³/kg de sólidos
totais)
Produção diária mínima
(m³/Animal/Dia)
Vaca leiteira de 600 kg 0,40 – 0,49 0,980
Bezerro de até 150 kg 0,28 0,294
Bovino de engorda de até
520 kg
0,40 0,400
Fonte: Adaptado de Santos (2000) e Farret(2010).
Considerando o número de animais existente em cada comunidade, partindo dos
dados da literatura, já é possível obter uma boa estimativa do potencial de produção de
biogás que a comunidade possui, para verificar qual a melhor uso para o biodigestor
dentro da comunidade.
Segundo Smith et al. (2013) a quantidade de insumos que seria necessária para
fazer com que um biodigestor com capacidade de armazenamento para atender uma
família seria de apenas 20kg de esterco bovino e 20 litros de água por dia, o que seria a
produção de um ou dois animais, o que mostra o quão acessível essa tecnologia se torna,
mesmo em uma localidade bem afastada, com poucos animais, pode ser aplicada. Além
dos biodigestores atuarem como uma solução do manejo dos dejetos nessas localidades,
o equipamento trás como produtos o biogás e o biofertilizante.
O biogás pode ser utilizado como uma fonte energética e o biofertilizante
melhorando o nível de nitrogênio do solo. O equipamento tem um grande potencial de
5
geração de renda, principalmente em áreas como o nordeste brasileiro onde há muito
descaso governamental e essas comunidades isoladas acabam ficando desprotegidas.
2.2 Benefícios dos biodigestores
A utilização de biodigestores é uma das alternativas para a destinação correta
dos dejetos gerados na criação de animais, e também uma alternativa para o saneamento
básico da população rural, com o equipamento realizando a biodigestão do efluente,
decompondo os resíduos orgânicos e dejetos em um ambiente de anaeróbico, com
ausência de oxigênio, resultando em biogás e biofertilizante, ricos em minerais como
potássio e fósforo (SANTOS et al., 2017).
Embora o processo de biodigestão de resíduos orgânicos seja já conhecido há
bastante tempo, com relatos da primeira unidade instalada em Bombaim na India em
1819, o primeiro biodigestor, que atuava em regime de batelada, só foi colocado em
funcionamento em 1950 (SILVA, 1987). Desde então a tecnologia passou por vários
aprimoramentos e diversos países acabaram criando as suas próprias versões, Barros et
al. (2016) propuseram um estudo sobre a análise de viabilidade de um modelo de
biodigestor de baixo custo, que atenderia às condições e realidades de pequenos
agricultores familiares. Mattos e Farias (2011) apresentam um modelo sertanejo de
biodigestor como tecnologia social, como alternativa de baixo custo e construído a
partir de materiais disponíveis em lojas de materiais para construção e de simples
manutenção. O modelo de biodigestor sertanejo foi implantado nos estados do nordeste
brasileiro e visava atender a população rural carente principalmente na produção de
biogás para cozinhar, em substituição ao fogão a lenha e ao gás GLP (CARVALHO et
al., 2017).
De acordo com Carvalho et al. (2017), a instalação de biodigestores em
propriedades de pequenos agricultores incentiva a sustentabilidade, podendo fazer uso
de energias renováveis, biofertilizantes e ainda fazer uma correta destinação dos
resíduos gerados pela atividade agrícola. Ainda segundo os autores, o biodigestor não
tem uma utilização específica, as diversas formas que as pequenas famílias rurais
utilizam o mesmo.
A biodigestão funciona melhor com a adição de dejetos em proporções tais que
deem uma relação entre Carbono e Nitrogênio (C/N) próximo a 30:1 (MATOS et al.
6
1998). A proporção C/N do esterco de animais varia entre 15:1 a 29:1 e que, segundo
Silva (1987), esta relação é satisfatória para a maioria dos biodigestores.
2.3 Modelos de biodigestores
O equipamento biodigestor consiste em câmaras hermeticamente fechadas, onde,
através de digestão anaeróbia, os resíduos são decompostos oferecendo como produto o
biogás e biofertilizante (MIRKO, 2003). Dessa forma, eles são equipamentos capazes de
serem eficazes para o tratamento de esgoto, ainda são capazes de diversificar a matriz
energética através da utilização do biogás e, melhorar o desempenho de pequenas hortas
ou até mesmo agricultura em maior escala, com a utilização dos biofertilizantes.
Diversos materiais podem servir como matéria-prima em biodigestores, o que
permite utilizar várias fontes para alimentar o biodigestor, podendo ser adicionado ao
processo esterco de gado, de porcos, de cavalos, de galinhas e excrementos humanos
assim como restos vegetais de cultura como palha, grama e folhas (SEIXAS et al.,
1981). Entretanto é necessário ter cuidado com a adição de restos vegetais, pois por
possuírem baixa densidade, podem se acumular no topo do material dentro do
biodigestor provocando a interrupção da produção de gás. Para adicionar a matéria para
dentro do biodigestor é necessário que todos os materiais orgânicos sejam diluídos em
água. A quantidade de água a ser adicionada depende do substrato inserido. Segundo
Comastri (1981), a determinação do tipo adequado do biodigestor a ser utilizado vai
depender de alguns fatores como as condições do local, disponibilidade de substrato,
entre outros.
2.3.1 Biodigestor de Batelada
No modelo de biodigestor de batelada o material é todo inserido no interior do
equipamento de uma só vez, e é mantido lá dentro pelo tempo que é necessário para que
o processo de fermentação anaeróbia ocorra (BONTURI e DIJK, 2012). O gás
produzido permanece armazenado no próprio local da digestão ou em um gasômetro
acoplado (COMASTRI, 1981).
Uma vez que o processo foi finalizado, a câmara de digestão é aberta, os
materiais residuais são retirados, é realizada a limpeza e uma nova leva de substrato
pode ser inserida (COMASTRI, 1981). Sendo assim, trata-se de um sistema com pouca
7
dificuldade operacional além de ser bastante simples. Na Figura 1, encontra-se um
esquema desse modelo de biodigestor com a representação dos elementos principais
necessários para sua construção.
Figura 1 - Biodigestor modelo Batelada. Fonte: Agência Embrapa de Informação
Tecnológica, (2016).
Onde,
D1 – diâmetro interno do biodigestor;
Ds – diâmetro interno da parede superior;
Dx – diâmetro do gasômetro;
h1 – altura ociosa do gasômetro;
D2 – altura útil do gasômetro;
h3 – altura útil para deslocamento do gasômetro;
b – altura da parede do biodigestor acima do nível do substrato;
8
c – altura do gasômetro acima da parede do biodigestor.
Na Figura 2, está ilustrada a representação tridimensional de um corte de um
biodigestor modelo Batelada.
Figura 2 - Representação tridimensional de um corte do biodigestor modelo Batelada.
Fonte: Adaptado de Deganutti et al., (2002).
2.3.2 Biodigestor Contínuo
Neste tipo de digestor, ao contrário do tipo batelada, ocorre à alimentação
contínua de matéria-prima e a produção de biogás e biofertilizante acontece conforme a
inserção dos rejeitos. É necessária a utilização de uma matéria-prima de fácil
degradação e prioritariamente líquida. Além disso, para que o fornecimento seja
contínuo, deve haver abundância da matéria-prima e condução da mesma através de
dutos até o digestor (COMASTRI, 1981).
De acordo com o posicionamento no solo, dois modelos de digestores contínuos podem
ser citados:
Digestor Contínuo Vertical: Nesse tipo o tanque cilíndrico é feito de alvenaria,
concreto ou outros materiais, ficando na maioria das vezes submerso no solo. A
biomassa é descarregada na parte inferior e, devido à diferença de densidade, o
biogás produzido se acumula na parte superior. A câmara de gás pode ser
simples ou dupla (COMASTRI, 1981).
9
Digestor Contínuo Horizontal: Nesse tipo as dimensões de altura são menores
que as de comprimento e largura, sendo indicada a utilização quando se encontra
dificuldade para escavar poços mais profundos. A biomassa alimenta o
biodigestor por um dos lados e do outro é por onde é retirado o biofertilizante
(COMASTRI, 1981).
Dentro os tipos de biodigestores contínuos, os mais conhecidos e utilizados são
os do tipo indiano e o chinês, o tipo sertanejo também é do tipo contínuo, podendo ele
ser considerado um variante do tipo indiano.
2.3.2.1 Modelo Indiano
No biodigestor do modelo indiano existe uma câmara de armazenamento de gás,
também chamada de gasômetro, que é móvel e mantém a pressão de operação
constante. Quando não há consumo imediato do gás produzido, o gasômetro desloca-se
para cima fazendo com que o volume interno aumente e a pressão interna permaneça
constante (BONTURI e DIJK, 2012). O modo de selar o gasômetro pode ser utilizando
um selo externo de água ou a própria biomassa no interior do tanque, como é feito no
tipo sertanejo. Em ambos os casos, há minimização das perdas do biogás justamente
pelo fato do gasômetro estar sobre água ou biomassa.
A Figura 3 ilustra um biodigestor modelo indiano com a construção de sua
câmara de gás sobre a biomassa e com uma parede divisória.
10
Figura 3 - Biodigestor modelo indiano. Fonte: Adaptado de Junqueira, (2014).
Os principais componentes dos biodigestores indianos podem ser definidos
como:
Caixa de carga – local de diluição dos rejeitos;
Tubo de carga – conduz a matéria-prima da caixa de carga até o interior do
biodigestor.
Câmara de biodigestão cilíndrica – local onde ocorre o processo de fermentação
anaeróbia propriamente dita e a produção de biogás;
Gasômetro – formado por uma campânula, é capaz de armazenar o gás
produzido
Tubo guia – guia o gasômetro quando este se movimentar para cima e para
baixo;
Tubo de descarga – conduz para a saída o material fermentado sólido e líquido;
Caneleta de descarga – local de recebimento do material fermentado sólido e
líquido;
Saída de biogás – dispositivo que permite a saída do biogás produzido para ser
encaminhado para os pontos de consumo.
Já na Figura 4, é possível observar o esquema de um biodigestor modelo indiano
com os principais elementos para sua construção.
11
Figura 4 - Esquema de um biodigestor modelo Indiano. Fonte: Adaptado de Junqueira,
(2014).
Onde,
Di - diâmetro interno do biodigestor;
Ds - diâmetro interno da parede superior;
Dg - diâmetro do gasômetro;
H - altura do nível do substrato;
h1 - altura ociosa (reservatório do biogás);
h2 - altura útil do gasômetro;
a - altura da caixa de entrada;
e - altura da parede do biodigestor acima do nível do substrato.
A Figura 5 ilustra uma representação tridimensional de um corte de um
biodigestor modelo Indiano, evidenciando as características de seu interior.
12
Figura 5 - Representação tridimensional de um corte de um biodigestor modelo Indiano.
Fonte: Adaptado de Deganutti et al., (2002).
2.3.2.2 Modelo Chinês
O modelo chinês tem algumas semelhanças com o modelo indiano, a construção
também é feita em alvenaria, acima do cilindro onde ocorre a fermentação, há uma
espécie de cúpula fixa impermeável que tem a função de armazenar o biogás gerado. O
mecanismo de retirada do biogás se baseia no princípio de prensa hidráulica. Quando o
gás se acumula no interior do digestor, há aumento da pressão e dessa forma, o fluido se
desloca para a caixa de saída. Já na situação de descompressão, o gás desloca-se no
sentido contrário (DEAGANUTTI et al., 2002).
Na Figura 6, pode-se observar um biodigestor modelo Chinês com seus
elementos principais.
13
Figura 6 - Biodigestor modelo Chinês. Fonte: Junqueira, (2014).
Por causa de o gasômetro ser fixo nesse modelo de biodigestor, a pressão do gás
não é constante porque varia de acordo com a fermentação da matéria-prima, por isso é
essencial instalar manômetros que sejam capazes de medir a pressão do gás e assim
obter o controle mais eficaz da produção (SEIXAS et al., 1981).
Na Figura 7 abaixo, está representado um esquema de um biodigestor com as
representações de suas principais medidas.
14
Figura 7 - Esquema de um biodigestor modelo Chinês. Fonte: Adaptado de Portes,
(2005).
Onde,
Dc - diâmetro do corpo cilíndrico;
Hc - altura do corpo cilíndrico;
hg - altura da calota do gasômetro;
hf - altura da calota do fundo;
Rg - Raio da calota do gasômetro;
Rf - Raio da calota do fundo;
he - altura da caixa de entrada;
De - diâmetro da caixa de entrada;
hs - altura da caixa de saída;
Ds - diâmetro da caixa de saída;
af - afundamento da cúpula no solo;
a - altura do fundo da caixa de entrada;
15
E, na Figura 8, está representado tridimensionalmente um corte do biodigestor
modelo Chinês.
Figura 8 - Representação tridimensional de um corte de um biodigestor modelo Chinês.
Fonte: Deganutti et al., (2002).
2.3.2.3 Modelo sertanejo
O modelo sertanejo de biodigestor é extremamente semelhante ao indiano, só
que utilizando materiais e fazendo adaptações para a realidade do sertão nordestino.
Esse modelo também utiliza o gasômetro móvel para manter a pressão do gás constante.
Uma das principais adaptações é a utilização da tecnologia de construção por placas,
que já é utilizada em cisternas e bem conhecida pelas pessoas que vivem nessa região, o
que facilita muito a construção, uma vez que elas passam a trabalhar com algo que já
lhes é familiar.
16
Figura 9 - (a) Vista superior de um biodigestor sertanejo (b) Vista lateral de um
biodigestor sertanejo.
De forma muito semelhante ao modelo indiano, o modelo sertanejo é composto
por:
● Caixa de carga: É o local onde o esterco diluído com água deve ser colocado
diariamente;
● Tubo de carga: Por gravidade a matéria orgânica diluída vai ser conduzida até
o interior do biodigestor;
● Câmera de biodigestão: Local onde a biomassa será fermentada sem a
presença de ar. Essa câmera é uma espécie de tanque que possui uma divisão
para poder separar o dejeto mais novo, daquele mais antigo que já foi
fermentado.
● Gasômetro: Esse elemento é responsável por armazenar o gás produzido e
manter a pressão constante do sistema. Quando o biodigestor se enche de
biogás, o gasômetro sobe em volta do tubo-guia, e quando o volume de gás
diminui consequentemente o gasômetro desce. Isso ocorre para manter a
pressão do sistema constante.
● Tubo-guia: Este componente é muito importante, pois ele tem a função de
regular o gasômetro, guiando-o para cima ou para baixo.
(a)
(b)
17
● Saída do Biogás: Uma tubulação vai canalizar o biogás até o ponto de
consumo desse combustível (fogão), essa tubulação sairá da parte superior do
gasômetro;
● Caixa de Saída: Onde vai ser conduzido o material já degradado, ou seja, o
biofertilizante que vai ser retirado da caixa de saída e aplicado nas áreas de
cultivo.
2.4 Biomassa
A definição de biomassa é quaisquer materiais que possam ser decompostos por
ação de variados microrganismos, mas em caso específico que essa decomposição
acontece pela ação de bactérias metanogênicas ocorre à produção do biogás. A
quantidade de biogás produzida vai depender de inúmeros parâmetros, como pH, a
relação C/N, umidade e a quantidade de bactérias por volume de biomassa.
É sempre importante conhecer a disponibilidade da biomassa que será utilizada,
para assim fazer uma estimativa inicial da quantidade de biogás que será produzida para
dimensionar o equipamento.
Com a digestão da biomassa obtém-se o biogás que é uma mistura de gases
produzidos a partir da decomposição anaeróbia de materiais orgânicos, a composição
habitual do biogás é de 55-70% de metano (CH4) e 30-45% dióxido de carbono (CO2),
com pequenas quantidades de ácido sulfídrico (H2S) e amônia (NH3), traços de
hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), monóxido de carbono (CO), carboidratos e oxigênio
(O2) (DEUBLEIN e STEINNHAUSER, 2008).
O biogás é um gás combustível com a queima de forma limpa e renovável. Seu
poder calorífico varia de 5000 a 7000 kcal/m3. Pode-se comparar a relação de 1m³ de
biogás com outras fontes de energia, segundo Oliver et al. (2008) o poder energético de
um litro de biogás é equivalente a 0,61 litros gasolina, 0,45 litros de gás de cozinha,
0,58 litros de querosene, 1,5 quilos de lenha, 0,55 litros óleo diesel e 0,79 litros de
álcool hidratado.
2.5 Fermentação anaeróbica
A biodigestão anaeróbica se dá a partir da degradação e estabilização da matéria
orgânica, o que leva a formação dos gases, que são em sua maioria o metano e dióxido
18
de carbono, e um resido líquido, que é rico em minerais. Esse resíduo líquido que já é
estabilizado pode ser utilizado como o biofertilizante, em função da sua riqueza em
minerais. A representação da digestão anaeróbia pode ser feita pela Equação 1
(KELLEHER et al., 2002).
→
(1)
2.6 Formação do biogás
A biodigestão anaeróbica pode ocorre de forma espontânea quando a biomassa
ou matéria ou matéria orgânica é composta por carboidratos, lipídeos e outros
nutrientes, contudo, na presença de bactérias, esses componentes se decompõem
formando metano e impurezas. Os principais produtos da biodigestão que acontecem
naturalmente são o metano e o dióxido de carbono, sendo esses dois compostos
responsáveis por aproximadamente 71% e 21% da composição do biogás. Também
entre os compostos formados está o enxofre, que dá um odor bastante característico à
mistura de gás que é formada. A formação do biogás segue a seguinte equação
estequiométrica:
→ ( ) (2)
A biodigestão anaeróbica passa por quatro principais fases a nível bacteriano,
que são a hidrólise, acidogênse, acetogênese e metanogênese, sendo a última etapa a
qual o biogás é produzido, mas isso não diminui a importância das outras etapas, que
são fundamentais para que se chegue a enfim na produção do biogás na última etapa,
sendo as fases 1-2 e 3-4 etapas que possuem uma profunda ligação, sendo indispensável
que as suas reação ocorram de forma sinérgica. A Figura 10 apresenta as etapas da
formação do biogás.
19
Figura 10 - Etapas de produção do biogás. Fonte: Adaptado de Karlsson, (2014).
2.6.1 Hidrólise
A etapa de hidrólise é a qual as ligações complexas como carboidratos, proteínas
e gorduras são quebradas por enzimas em um processo bioquímico, sendo essa etapa a
qual ocorre a formação de compostos orgânicos simples como aminoácidos, ácidos
graxos e açucares de acordo com a reação abaixo. Esses compostos são formados de
acordo com a quebra das ligações moleculares complexas por enzimas liberadas por um
grupo específico de bactérias.
→ (3)
A quebra desses polímeros maiores é o que dá início ao processo de biodigestão.
2.6.2 Acidogênese
A segunda etapa fundamental para o processo de biodigestão é chamada de
acidogênese, é nela que as substâncias formadas na etapa de hidrólise são transformadas
20
pelas bactérias acidogênicas em ácido propanóico, ácido butanóico, ácido lático e
álcoois, também são formados nessa etapa hidrogênio e gás carbônico. Um dos
principais fatores para a formação dos produtos nessa etapa é a quantidade de
hidrogênio dissolvido que existe nessa mistura, se há muito hidrogênio dissolvido na
mistura acontece uma interferência negativa no processo, o que provoca um acúmulo de
ácidos orgânicos fazendo com que o pH da mistura tenda a ser um poucos mais ácido,
afetando diretamente o processo.
2.6.3 Acetogênese
A acetogênese é a fase na qual os materiais resultantes da acidogênese são
transformados em ácido etanoico, hidrogênio e gás carbônico por bactérias
acetogênicas. Essa é uma das fases mais delicadas do processo, considerando que é
necessário manter o equilíbrio para que a quantidade de hidrogênio gerado seja
consumida pelas bactérias Arqueas responsáveis pela metanogênese.
2.6.4 Metanogênese
Durante a metanogênese na biodigestão anaeróbia, o ácido acético, o hidrogênio
e dióxido de carbono são finalmente convertidos em metano e gás carbônico através da
ação de microrganismos metanogênicos classificados no domínio das Archeas,
conhecido como distinto das bactérias devido a suas características genéticas. As
Archeas possuem características únicas e particulares que as permitem viver em
ambientes específicos onde aceptores de elétrons como, por exemplo, oxigênio (O2) e
Nitrato (NO3-) são ausentes ou existentes em baixas concentrações. Desta forma, a
metanogênese pode ser considerada como sendo uma respiração anaeróbia onde o gás
carbônico ou o grupo metil de compostos C-1, ou carbono do grupo metil do acetato é o
aceptor de elétrons. As Archeas são divididas em dois grupos principais em função de
sua fisiologia. Enquanto os microrganismos metanogênicos hidrogenotróficos utilizam o
hidrogênio e dióxido de carbono, os metanogênicos acetoclásticos utilizam basicamente
o ácido acético e metanol para a geração de metano e gás carbônico. As reações 4 e 5
representam respectivamente a ação de cada um dos tipos das Arqueas mencionadas.
→ (4)
21
→ (5)
2.7 Condições operacionais
Por se tratar de um processo bioquímico realizado por milhares de bactérias, a
eficiência da digestão anaeróbia pode ser seriamente afetada por fatores que estão
relacionados com o meio ideal para sua atuação, considerando o tipo de substrato, as
características do digestor e as condições de operação.
2.7.1 Concentração de nutrientes
A presença de alguns macroelementos na matéria prima, tais como o carbono,
nitrogênio, potássio, fósforo e enxofre, alguns micronutrientes minerais, vitaminas e
aminoácidos são necessários para o desenvolvimento das bactérias, dessa forma é
necessário que se tenha um bom conhecimento sobre a composição química e o tipo de
biomassa utilizada. Se for necessário, pode ser feita a dosagem de nutrientes e
ativadores químicos para que ocorra uma boa fermentação da biomassa (COMASTRI,
1981).
2.7.2 Condições de pH
As variações de acidez são extremamente importantes, na qual cada grupo de bactérias
possui seu ponto ideal de acidez. Nas fases da hidrólise e da acidogênese, o pH ideal
fica em torno de 5,2 a 6,3. Já na acetogênese e metanogênese o pH ideal fica entre 6,5 à
8. Abaixo do pH crítico pode haver precipitação dos íons metálicos, bem como inibição
da ação bacteriana, devido à produção de ácidos, visto que a parede celular bacteriana é
mais permeável às moléculas não dissociadas em comparação com suas formas
ionizadas. Acima do pH crítico, a partir do qual a concentração de íons carbonato
disponíveis é elevada, os metais pesados passam a ser precipitados na forma de
carbonatos, e neste caso é acentuada a influência do pH.
22
2.7.3 Temperatura
Um fator extremamente importante é a temperatura, a fermentação anaeróbica é
influenciada diretamente por ela, sendo uma das responsáveis pela velocidade do
processo e, consequentemente, redução do tempo de retenção da massa no interior do
biodigestor. Além disso, a porcentagem de metano na constituição do biogás é maior
quando o processo de fermentação ocorre em temperaturas mais elevadas, o que garante
um maior poder calorífico à mistura, já que o metano é o principal gás na mistura de
gases que forma o biogás. Em um processo anaeróbio, o mais importante é manter uma
temperatura constante dentro do reator, devido à sensibilidade das bactérias a
temperatura (BARRERA, 2003). O processo de digestão e gaseificação é altamente
acelerado à temperaturas entre 35 e 37°C. Para temperaturas inferiores a 35°C o
processo de digestão é de menor extensão e para temperaturas inferiores a 15°C é quase
inexistente.
2.7.4 Tempo de detenção hidráulica
O tempo que o material irá permanecer no interior do biodigestor, chamado de
tempo de retenção, que é o tempo contabilizado desde a entrada do efluente até a sua
saída, é imprescindível para que o processo de digestão ocorra por completo. De acordo
com os diferentes substratos utilizados para a alimentação do biodigestor, e dos demais
fatores, o tempo de retenção pode variar de 4 a 60 dias (MAZZUCCHI, 1980;
COMASTRI, 1981). Para o substrato composto de resíduos de matéria orgânica o
tempo de detenção situa na faixa de 20 a 30 dias, sendo que com 30 dias a carga
orgânica já sofreu grande redução e devido a isso, a produção de biogás já atingiu seu
máximo e a partir desse ponto passa a decair (BEUX, 2005). O tempo de retenção
hidráulica pode ser obtido pela relação entre o volume de mistura liquida do biodigestor
e a carga diária.
2.8 Cogeração energética
O biogás gerado pode ter vários fins, entre eles a cogeração energética, que é
definida como a geração de eletricidade e calor por meio de um processo ou
equipamento, que pode ser uma caldeira com geração a vapor, uma turbina e diversos
23
outros equipamentos. Em especial pode-se utilizar um motor-gerador como o
equipamento para essa cogeração, e embora esses equipamentos tenham uma eficiência
de conversão em energia elétrica relativamente baixa, variando entre 15% a 38%,
dependendo de qual a fonte de alimentação de combustível desse motor, como esse
combustível foi obtido e o lugar e função desse motor-gerador.
Com o meio-ambiente tomando cada vez mais importância, principalmente
quando o tema é energia, atualmente muitas pesquisas buscam novas formas de
aproveitar rejeitos e com isso gerar energia, com isso a alternativa de utilizar biogás
gerado pelos rejeitos da criação de animais em comunidades rurais passa a ser vista
como uma promissora atividade (FACCENDA E SOUZA, 2001). A cogeração já é algo
bem conhecido no meio industrial, sendo muito comum em indústrias que realizam o
processamento de cana.
A depender da localização da comunidade rural a cogeração energética a partir
do biogás pode fazer com que a energia elétrica chegue a lugares em que os órgãos
governamentais ainda não conseguiram fazer com que a energia elétrica chegasse.
2.9 Eficiência da conversão do biogás em energia elétrica
Existe uma diversa gama de opções para escolher o motor gerador a ser utilizado
quando a ideia é gerar energia elétrica a partir do biogás produzido pela biodigestão
anaeróbica de matéria orgânica. O modelo pode ser escolhido de acordo com o capital
financeiro disponível e a logística para a compra do equipamento.
Segundo Santos (2000), 1 m³ de biogás é o equivalente 6,5 kW, com esse dado
podemos estimar a eficiência da transformação do biogás produzido em energia elétrica
mediante a razão de equivalência de 1 m² de biogás.
( )
2.10 Análise econômica da produção de biogás
Para determinar qual é o custo da produção de biogás temos que determinar
antes algumas informações. Inicialmente deve ser contabilizado qual é o custo de
24
construção e manutenção do biodigestor (SOUZA et al., 2004). Também se deve levar
em conta como se dará essa operação, em que condições ela acontece.
Para determinar o custo de produção do biogás, podemos calcular da seguinte
forma. O custo do biogás é calculado através da seguinte equação
(6)
Onde:
CAB = Custo anual do biodigestor (R$/ano);
PAB = Produção anual de biogás (m³/ano).
Por sua vez o custo anual do biodigestor vai ser dado pela seguinte equação
(7)
Onde:
CIB = Custo de investimento no biodigestor (R$);
OM = Custo de operação e manutenção (%/ano).
Por sua vez o fator de recuperação do capital é dado pela equação
( )
( ) (8)
Onde:
j = Taxa de desconto (% ano);
n = Anos para a amortização do investimento.
Todos esses cálculos são essenciais, mas também é necessário verificar se é
viável economicamente a produção desse biogás de acordo com o ganho financeiro
gerado, para isso devemos determinar o tempo de retorno do investimento (TRI) através
da seguinte equação.
(
) (9)
25
Onde:
CI = Custo do investimento no biodigestor (R$);
CGF = Ganho anual com gás gerado e biofertilizante (se utilizado);
TRI = Tempo de retorno (anos).
2.11 Análise econômica da produção de energia elétrica
Para determinar qual é o custo desta cogeração de energia utilizando o biogás
temos que determinar algumas informações primeiro. Inicialmente deve ser
contabilizado qual é o custo de construção e manutenção do biodigestor como também
do sistema motor-gerador (SOUZA et al., 2004). Também deve-se levar em conta como
se dará essa operação, em que condições ela acontece. Pela localização do assentamento
e sua realidade climática é de se esperar que a produção acorra sem problemas durante
todo o ano, fazendo com que o gerador também possa ser utilizado durante todo o ano,
o que é um bom sinal, pois quanto menor é o tempo de operação, mais cara essa
operação tende a ser, dessa forma, o tempo de retorno do investimento será afetado, o
que pode fazer com que a ideia de se implantar um projeto como esse não seja mais tão
atrativa. Por mais que seja possível que o equipamento tenha capacidade para operar
também é necessário verificar a necessidade do assentamento.
Para determinar o custo de produção da energia elétrica através da cogeração
pelo biogás, podemos calcular da seguinte forma.
(10)
Onde:
C = Custo de energia elétrica produzida pelo biogás (R$/kWh);
CAB = Custo anual com biogás (R$/ano);
CAG = Custo anual do conjunto motor-gerador (R$/ano);
PE = Produção de eletricidade pelo biogás (kWh/ano).
O valor de produção de eletricidade (PE) pode ser calculado pela equação abaixo
26
(11)
Onde:
Pot = Potência nominal da planta (kW);
T = Tempo de utilização da planta (horas/ano).
Os valores de custo anual com o biogás (CABG) e custo anual do conjunto
motor-gerador (CAG) são dados pelas seguintes equações respectivamente.
(12)
Onde:
CB = Custo do biogás (R$/m³);
CNB = Consumo de biogás pelo motor-gerador (m³/ano).
(13)
Onde:
CIG = Custo do motor-gerador (R$);
OM = Custo de operação e manutenção (%/ano);
FRC = Fator de recuperação do capital.
Todos esses cálculos são essenciais, mas também é necessário verificar se é
viável economicamente a produção dessa energia elétrica através do biogás, para isso
devemos determinar o tempo de retorno do investimento (TRI) através da seguinte
equação.
(14)
Onde:
CI = Custo do investimento no sistema biodigestor/motor-gerador (R$);
27
GEF = Ganho anual com energia gerada e fertilizante;
TRI = Tempo de retorno (anos).
2.12 Utilização do biofertilizante
Além do biogás como produto da biodigestão realizada, também temos o
biofertilizante como produto. Pela sua composição é possível que ele realmente seja
utilizado substituindo o uso de fertilizantes comerciais, e como um dos principais
aspectos da instalação de biodigestores em comunidades rurais é dá aos seus moradores
uma maior independência financeira, a possibilidade de substituir o uso de fertilizantes
comerciais nas suas plantações por um que é obtido através da biodigestão anaeróbica
dos rejeitos da criação de animais da comunidade é um grande alívio financeiro que
pode ser passado a essas comunidades.
É possível então calcular a quantidade de biofertilizante que será produzida de
acordo com a realidade de comunidade e a alimentação que será feita no biodigestor e
também qual a área que será necessária para absorver a quantidade de biofertilizante
que será produzida.
A área necessária será uma função da quantidade de nutrientes NPK que podem
ser incorporados ao solo, principalmente a quantidade de N que pode ser incorporada,
que segundo Tumelero (1998), tem o limite de incorporação de 160 kg/ha/ano.
28
3. VIABILIDADE DA REGIÃO
O local onde o biodigestor será instalado é extremamente importante, pois os
fatores climáticos são essenciais para um bom funcionamento do equipamento, ainda
mais se tratando de uma proposta de construir o equipamento a um custo reduzido, tem
que se ter em mente que não haverá recursos para proteger o equipamento das
intempéries da natureza, então locais com clima quente e poucas chuvas é ideal para a
instalação do biodigestor, o que é de fato o que se encontra no sertão do nordeste. A
Figura 11 mostra a localização do assentamento.
Figura 11 – Localização do assentamento Trangola. Fonte: Google Maps.
A região onde fica o assentamento Trangola é um pouco afastada de qualquer
centro mais urbano, sendo o município de Currais Novos, o município ao qual o
assentamento Trangola pertence. Há uma considerável distância até o centro urbano de
maior porte mais próximo, isso faz com que seja necessária alguma logística para
29
construir qualquer coisa no assentamento, mas por outro lado é o tipo de comunidade
que a tecnologia traz mais benefícios.
A região do Seridó do Rio Grande do Norte é conhecidamente uma região que
possui longos períodos do ano sem chuva, o que para o biodigestor é vantajoso, pois é
possível manter por longos períodos durante o ano uma temperatura que é favorável ao
desenvolvimento das bactérias, visto que na série histórica desse século a temperatura
média na região se mantém entre 30°C e 35°C. É de conhecimento que para o
desenvolvimento bacteriano essa é uma média de temperatura ideal, onde é
proporcionado o melhor clima que se tenha a melhor produção de biogás possível. Esses
dados estão apresentados na Figura 12.
30
Figura 12 – (a) Dados de precipitação de chuva de 2017-2018. (b) Dados de insolação
de 2010-2018. (c) Dados de temperatura de 2010-2018. Fonte: Instituto Nacional de
Meteorologia, (2019).
(a)
(b)
(c)
31
Embora os últimos dados do ano de 2018 tenham mostrado uma leve flutuação
nos dados de forma a impactar negativamente os fatores que proporcionariam uma
melhor produção de gás, é de se esperar que seja apenas uma flutuação natural da
temperatura, que com o tempo voltará a sua média histórica. Mesmo a produção por
causa da influência desses fatores não sendo o esperado, com a normalização desses
fatores com o tempo, é de se esperar que o biodigestor tenha a produção esperada em
função das boas condições climáticas da região para essa atividade.
32
4. DIMENSIONAMENTO DE UM BIODIGESTOR PARA O
ASSENTAMENTO TRANGOLA
Para realizar o dimensionamento de um biodigestor para o assentamento
Trangola utilizam-se algumas informações do assentamento, combinando com dados da
literatura. Podemos fazer a comparação do gás produzido com a sua equivalência
energética em GLP para ter uma melhor ideia de quanto de energia é possível ter na
produção diária. A produção de esterco diária para diferentes animais se encontra na
Tabela 4.
Tabela 4 – Produção de esterco fresco diário.
Animal Dejeto
(kg/dia)
Biogás
(m³/kgesterco)
GLP
(kg/dia)
Suíno 2,5 0,075 – 0,089 0,084
Bovino de corte 10 - 20 0,040 0,180
Bovino de leite 10- 50 0,040 – 0,049 0,221
Caprino/Ovino 0,5 0,040 – 0,061 0,014
Equino 10 0,048 0,216
Fonte: Adaptado de Oliver et al., (2008) e Farret (2010) e Santos (2000).
Para o assentamento, há criação de bovino de leite, então considerando que a
produção mínima diária de esterco é 10 kg por animal, com 10 animais na comunidade
então:
entretanto os animais passam o dia pastando e só são recolhidos ao final do dia, assim,
só é coletado 1/3 do esterco diário produzido, dessa forma temos que
.
Para o cálculo da produção do biogás, de acordo com a Tabela 4, temos que:
33
Que é equivalente e a produção de GLP de:
Com a quantidade de biogás diariamente produzida, podemos calcular o volume
do biodigestor, que pode ser obtido através do produto do tempo de retenção hidráulica
pela carga diária, conforme a fórmula:
(15)
A carga diária (VC) consiste na soma do volume de esterco diluído em água que será
inserido no biodigestor. Para o volume do esterco, temos que sua densidade é dada por:
(16)
Se a densidade do esterco é em média 600kg/m³ (FREITAS, 2008), o volume de
esterco será:
Além disso, biomassa deverá ser misturada na proporção de 1:1 com água,
segundo Faustino et al. (2009), logo, VC será 0,111 m³/dia. O tempo de retenção
hidráulica (TRH) adotado foi e 30 dias (AMARAL et al., 2004; QUADROS et.al.,
2007). Aplicando na equação, teremos:
34
Para o tanque, é considerando que ele tem a forma cilíndrica, dessa forma para
encontrar as duas dimensões
(17)
Adotando h=1,5 m, o diâmetro do tanque de fermentação será:
√
As dimensões da caixa de entrada devem ser suficientes para que seu volume
suporte o volume de carga diária. Logo, o volume tanque de alimentação será calculado
por:
(18)
Adotando uma altura de 0,5m para a caixa de carga, teremos:
√
A caixa de carga deverá ser construída com o piso a 20 centímetros de altura
acima do nível da borda do tanque de fermentação.
Diferentemente do tanque de digestão e da caixa de carga, que possuem formato
cilíndrico, a caixa e descarga apresenta formato retangular e será divida em dois
compartimentos. De acordo com Valladares et al. (2008), ela deve ser dimensionada
com no mínimo três vezes o volume da carga diária para permitir armazenamento do
biofertilizante. De modo que,
35
(19)
Adotando uma altura de 0,5 m e uma largura de 0,6 m, obtemos um comprimento de:
A borda da caixa de descarga deve ficar 20 cm de altura abaixo do nível da
borda do tanque de fermentação. A caixa de descarga será divida em dois
compartimentos.
36
5. VIABILIDADE ECONÔMICA DA OPERAÇÃO
Como já citado, existem vários fatores que devem ser levados em conta na hora
em que avaliamos a viabilidade tanto técnica quanto econômica de um projeto. A
construção do equipamento biodigestor possibilita e existência de outra dinâmica tanto
na residência mais próxima do equipamento, quanto de toda a comunidade local.
Alguns cenários podem ser pensados na utilização do biogás e do biofertilizante
gerados pelo equipamento. Em um primeiro cenário podemos considerar algo mais
simples, como a utilização do biogás apenas como substituto de GLP utilizado para
cozinhar, e o biofertilizante substituindo o fertilizante de índice NPK que poderia ser
nas plantações do local, mas na realidade eles não utilizam fertilizante pelo alto custo do
produto. Outro cenário requer um maior investimento, em um motor-gerador para a
geração de energia elétrica, com todo o biogás gerado sendo convertido em energia
elétrica através do motor-gerador, e o biofertilizante sendo utilizado nas plantações. O
último cenário leva em conta a utilização do biogás tanto substituindo o gás de cozinha
como gerando energia elétrica com o que não for utilizado como gás de cozinha, o
biofertilizante novamente será utilizado substituindo o fertilizante comercial que
geralmente são utilizados. Podemos nomear esses cenários 1, 2 e 3 respectivamente,
para os quais vamos analisar a viabilidade econômica das operações, simulando os
potenciais usos do biogás descritos, tanto considerando uso do biofertilizante como um
produto que agrega valor, como sem considera-lo, para obter um resultado mais fiel a
realidade do assentamento e também mostrar o potencial para a aplicação em outras
comunidades.
O primeiro cenário leva em conta os custos para a construção do equipamento
biodigestor e a instalação para levar o gás gerado para o fogão para ser utilizado
substituindo o GLP. O investimento necessário é de R$ 1.796,00 para realizar todas
essas operações. Podemos considerar diferentes condições para amortização dessa
dívida, assim conseguimos observar alguns cenários de qual seria o custo de produção
de cada metro cúbico de biogás de acordo com o tempo de amortização da dívida, para a
produção diária do equipamento de 1,33 m³. Na Tabela 5 encontram-se os dados de
custo do biogás de acordo com o tempo de amortização.
37
Tabela 5 – Custo do biogás por m³ de acordo com o tempo de amortização.
Amortização (anos) Biogás (R$/m³)
3 1,233
5 0,740
8 0,462
10 0,370
Os valores de custo revelam qual deve o investimento por m³ de biogás
considerando a amortização. Eles nos mostram que para um empreendimento desse
tipo, em que é esperado que o equipamento tenha uma grande durabilidade,
principalmente por ser construído de alvenaria, é muito indicado que se pense em um
maior prazo para a amortização do investimento, o que traz o investimento na produção
menor, relativo ao aumento do tempo de funcionamento do equipamento ao longo dos
anos.
Sabendo o investimento necessário é possível então calcular com seria o tempo
de retorno do investimento, considerando a produção de biogás obtida do equipamento
o retorno financeiro gerado e os gastos com manutenção, para manter o equipamento
funcionando de formar perfeita ao longo do tempo que ele foi planejado para funcionar.
Diariamente será gerado pelo biodigestor 1,33 m³ de biogás e 11,5 kg de
biofertilizante, ao longo de ano será totalizada a produção de 485,45 m³ de biogás e
4.197,5 kg de biofertilizante, a produção de biogás é o suficiente para substituir o
consumo de 17 botijões de gás de cozinha durante o ano, já o biofertilizante é o
suficiente para fertilizar 2,15 ha de solo. Foi considerado o preço do botijão de gás de
cozinha vendido na região, por conta da sua localização e quantidade de habitante no
local, pelo valor de R$ 80 e o preço para fertilizar um hectare de solo é de cerca de R$
330,00.
No assentamento Trangola não há gastos com fertilizante, mas a utilização do
biofertilizante tem a capacidade de melhorar a sua produção agrícola se for utilizado.
Nesse trabalho foi estudado o caso em que não há gasto com fertilizante, mas também
foi analisado o caso supondo o uso de fertilizante de acordo com a área de plantio
existente na comunidade, por isso foi considerado um suposto dado de consumo anual e
38
gasto anual de fertilizante. Nas Tabelas 6 e 7 encontram-se os dados de consumo e
produção do assentamento.
Tabela 6 – Dados de consumo e gasto anual do assentamento.
Consumo anual de
gás de cozinha
(botijões)
Gasto anual com
gás de cozinha
(R$)
Consumo anual de
fertilizante (kg)
Gasto anual com
fertilizante (R$)
12 960,0 132,0 630,0
Tabela 7 – Produção anual do assentamento para o biodigestor.
Produção anual de biogás (m³) Produção anual de biofertilizante (kg)
485,45 4.197,0
Considerando que as produções de gás e de biofertilizante excedem a
necessidade do assentamento, devemos calcular o tempo de retorno com base no que
será utilizado da produção para ter o tempo real em que o investimento será pago, não
um valor baseado em um caso ideal em que tudo o que foi produzido será utilizado.
Para o cálculo, devemos ter os valores de manutenção do equipamento ao longo do ano.
Pelo fato de ser de alvenaria, não será necessário um grande valor com manutenção,
mas deve-se perceber que esse valor deve ter um crescimento gradativo em relação ao
tempo de operação do equipamento, visto que a corrosão na alvenaria é um processo
lento, que demora alguns anos para se apresentar, bem como toda a exposição do
equipamento ao sol. Dessa forma, nos primeiros anos o investimento em manutenção
será muito menor do que nos últimos anos de operação do equipamento. Considerando
todos esses fatores, os valores gastos com manutenção do maquinário devem obedecer a
seguinte progressão ao longo dos anos, esses valores são encontrados na Tabela 8.
39
Tabela 8 – Investimento em manutenção.
Anos em operação Investimento em manutenção (% do
investimento)
1 5%
2 6%
3 7%
4 9%
5 11%
6 13%
7 15%
8 15%
Após 8 anos de funcionamento em diante, o investimento em manutenção deve
continuar em 15%. Podemos utilizar os mesmos valores para os gastos com a
manutenção do motor gerador.
Com uma taxa de desconto de 7% ao ano, podemos calcular o fator de
recuperação do capital (FRC), em seguida o custo anual do biodigestor (CAB), que leva
em conta o pagamento da dívida, seguindo o tempo de amortização, e o investimento
necessário para a manutenção do biodigestor em pleno funcionamento. Os resultados se
encontram na Tabela 9. Com essas informações podemos calcular o tempo de retorno do
investimento (TRI).
40
Tabela 9 – Custo anual do biodigestor de acordo com o tempo de amortização.
Custo anual do biodigestor (R$)
Amortização 10 anos 7 anos 5 anos 3 anos
1° ano 344,83 423,86 528,02 774,08
2° ano 362,79 441,82 545,98 792,04
3° ano 380,75 459,78 563,94 810,00
4° ano 416,67 495,70 599,86 161,64
5° ano 452,59 531,62 635,78 197,56
6° ano 488,51 567,54 233,48 233,48
7° ano 524,43 603,46 269,4 269,4
8° ano 524,43 269,4 269,4 269,4
9° ano 524,43 269,4 269,4 269,4
10° ano 524,43 269,4 269,4 269,4
É importante visualizar que de acordo com o tempo de amortização do
investimento, o gasto anual pode se tornar inicialmente mais alto, entretanto, ele não
deve permanecer dessa forma, por mais que com o passar do tempo seja necessário
investimentos anuais maiores para a manutenção do equipamento, isso se deve ao
encerramento do pagamento da dívida, tirando esse encargo do custo anual calculado
para o equipamento. Na Figura 13 são apresentados os dados de custo anual de
produção de acordo com o tempo de amortização.
41
Figura 13 – Custos anuais do biodigestor. Fonte: Autor.
Para esse cenário o tempo de retorno do investimento será de 1,2 anos se
considerarmos economia financeira no custo de fertilizante e de 2,08 anos se
desconsiderarmos essa economia, que é a realidade do assentamento Trangola.
Se a gente considerar então que todo o biogás produzido seja então destinado
para produção energética temos o cenário 2, o qual exige um investimento maior, de R$
4.911,00. O aumento no investimento é relativo à compra e instalação de um motor
gerador de 2 kWh. De acordo com a produção de gás, utilizando esse motor seria
possível gerar mensalmente 44,55 kW. Com isso podemos calcular qual é o
investimento necessário para a produção de cada kW. Na Tabela 10 encontram-se os
dados de custo da energia produzida de acordo com o tempo de amortização.
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
900,00
1 3 5 7 9
Cu
sto
an
ual
de
op
era
ção
(R
$)
Tempo de operação (anos)
10 anos de amortização
7 anos de amortização
5 anos de amortização
3 anos de amortização
42
Tabela 10 – Custo do kW de acordo com o tempo de amortização.
Amortização Energia (R$/kW)
3 3,062
5 1,837
8 1,148
10 0,919
Novamente verificamos que pelas caraterísticas do projeto, devemos ter um
tempo de amortização do investimento mais prolongado. Vemos que com esse longo
tempo de amortização começamos a aproximar o valor de investimento necessário para
gerar 1 kW, de um valor que possa ser mais atrativo para o investimento. Sabendo o
investimento necessário, é possível então calcular com seria o tempo de retorno do
investimento, considerando que a produção de biogás obtida do equipamento terá seu o
retorno financeiro gerado a partir da produção energética. Também serão considerados
os gastos com manutenção tanto do biodigestor, quanto do motor gerados, para manter o
equipamento funcionando de formar perfeita ao longo do tempo que ele foi planejado
para funcionar.
Diariamente serão gerado pelo biodigestor 1,33 m³ de biogás e 11,5 kg de
biofertilizante, ao longo de ano será totalizada a produção de 485,45 m³ de biogás e
4.197,5 kg de biofertilizante. A produção de biogás é o suficiente para utilizando o
motor gerador produzir 534,6 kW durante o ano, já o biofertilizante é o suficiente para
fertilizar 2,15 ha de solo. Considerando a tarifa média cobrada pelas distribuidoras de
energia como R$ 0,67 e o preço para fertilizar um hectare de solo é de cerca de R$
330,00. Podemos então calcular o custo anual da operação do motor gerador e tempo de
retorno do investimento. Nas Tabelas 11 e 12 encontram-se os dados de consumo e
produção do assentamento.
Tabela 11 – Consumo e gasto anual com energia elétrica no assentamento.
Consumo anual de
energia elétrica
(kW)
Gasto anual com
energia elétrica
(R$)
3.600,0 2.412,0
43
Tabela 12 – Produção anual de biogás, energia e biofertilizante.
Produção anual de biogás
(m³)
Produção anual de
energia (kW)
Produção anual de
biofertilizante (kg)
485,45 534,6 4.197,0
Da mesma forma como foi realizado para o cenário em que a produção de gás
era utilizada substituindo o gás de cozinha, podemos calcular os custos anuais do
biodigestor e do gerador e o tempo de retorno desse investimento. Os custos do
biodigestor serão os mesmos que foram calculados para o cenário 1. Os resultados se
encontram na Tabela 13.
Tabela 13 – Custo anual do motor-gerador de acordo com o tempo de amortização.
Custo anual do motor-gerador (R$)
Amortização 10 anos 7 anos 5 anos 3 anos
1° ano 598,08 735,14 915,81 1.342,56
2° ano 629,23 766,29 946,96 1.373,71
3° ano 660,38 797,44 978,11 1.404,86
4° ano 722,38 859,74 1.040,41 161,64
5° ano 784,98 922,04 1.102,71 197,56
6° ano 847,28 984,34 233,48 233,48
7° ano 909,58 1.046,64 269,4 269,4
8° ano 909,58 269,4 269,4 269,4
9° ano 909,58 269,4 269,4 269,4
10° ano 909,58 269,4 269,4 269,4
Novamente, tempo de amortização menores implicam em custos anuais mais
altos no início da operação. Na Figura 14 são apresentados os dados de custo anual de
produção de acordo com o tempo de amortização.
44
Figura 14 – Custos anuais do motor-gerador. Fonte: Autor.
Para esse cenário o tempo de retorno do investimento considerando o
biofertilizante é de 5,86 anos e sem considerar é de 48,7 anos. Esse alto valor quando
não consideramos ganho financeiro a partir do biofertilizante se deve a baixa produção
de energia. Os motores geradores tem um rendimento muito baixo nesse, nesse caso de
17%, o que torna a aplicação inviável se for apenas para a produção energética.
No cenário 3, o gás é utilizado substituindo o GLP, mas também existe a
cogeração energética, com o excedente de gás que não seria utilizado e acabaria sendo
liberado na atmosfera se não houve o sistema de geração energética, tem-se a seguinte
produção. Os dados de produção anual para o terceiro cenário se encontram na Tabela
14.
Tabela 14 – Produção anual do assentamento com duas utilizações para o biogás.
Produção anual de biogás
(m³)
Produção anual de
energia (kW)
Produção anual de
biofertilizante (kg)
485,45 144,6 4,197,0
0,000
200,000
400,000
600,000
800,000
1000,000
1200,000
1400,000
1600,000
1 3 5 7 9
Cu
sto
an
ual
de
op
era
ção
(R
$)
Tempo de operação (anos)
10 anos de amortização
7 anos de amortização
5 anos de amortização
3 anos de amortização
45
Os custos para a operação serão os mesmos quer foram anteriormente nos
cenários 1 e 2, o que se altera será o tempo de retorno do investimento, pois nesse
cenário, há um aproveitamento total dos recursos gerados, mas com um maior
direcionamento a atividades que geram o melhor retorno financeiro, que seria o uso do
biogás como um substituto do GLP para cozinhar.
Por mais que a quantidade de energia gerada não seja muito grande,
diferentemente de como ocorre no cenário 1, não será necessário liberar para a
atmosfera o excedente de produção, ele poderá ser aproveitado, dando a comunidade
uma maior possibilidade de alternativas, podendo utilizar essa energia para uma bomba
que realiza a irrigação por exemplo, que por mais que não seja um valor tão
significativo, ao final de um ano faz bastante diferença na vida dessas famílias.
Para esse cenário teremos um tempo de retorno do investimento de 3,1 anos
considerando o ganho do biofertilizante e de 5,47 anos desconsiderando o ganho com
biofertilizante. Na Figura 15 são apresentados os dados de tempo de retorno do
investimento para cada um dos cenários.
Figura 15 – Comparação entre os tempos de retorno para cada um dos cenários. Fonte:
Autor
0 10 20 30 40 50 60
Cenário 1 com biofertilizante
Cenário 1 sem biofertilizante
Cenário 3 com biofertilizante
Cenário 3 sem biofertilizante
Cenário 2 com biofertilizante
Cenário 2 sem biofertilizante
Tempo de retorno do investimento (anos)
46
6. CONCLUSÃO
Entre os cenários que foram analisados os melhores resultados foram
encontrados quando o uso do biogás foi considerado prioritariamente para a substituição
do gás de cozinha, mas quando ao invés, esse gás foi totalmente direcionado para a
produção energética, os resultados mostraram essa atividade como inviável de acordo
com o que seria produzido para um biodigestor dimensionado, de acordo com as
características da comunidade. A produção muito baixa culmina em um tempo de
retorno do investimento muito longo, o que foi mascarado no cenário 2 que considerou
o retorno financeiro do biofertilizante. A grande discrepância em relação ao tempo
necessário para recuperar o investimento, quando é considerada a utilização do gás para
geração energética, se deve a baixa eficiência que os motores geradores têm. Com a
baixa eficiência, a produção energética é muito baixa, o que não gera o retorno
financeiro suficiente para fazer com que a operação seja realmente economicamente
viável. Um fator que pode mitigar essa baixa eficiência é uma maior produção de
biogás, fazer com que o motor tenha a capacidade de funcionar por períodos mais
longos. Com uma maior produção, o preço do kW produzido tende a cair, o que faz com
que cada vez mais a operação possa ser economicamente viável.
A utilização do excedente de produção de biogás, o qual a comunidade não tem
capacidade de absorver por sua demanda de gás já ter sido preenchida, para a geração
energética, se mostrou como uma opção viável, o que pode ser uma excelente
alternativa para comunidades que sofrem com o abastecimento de energia, em que há
uma constate falta de energia. Por mais que utilizar todo o gás para a produção
energética não seja uma boa alternativa, para momentos de necessidade, ter
independência energética, mesmo que não seja total, pode ser uma boa alternativa para
melhorar a qualidade de vida dessas famílias.
A melhor opção encontrada em relação a um retorno rápido do investimento é a
utilização do gás para cozinhar, sem adicionar o custo que ter cogeração energética no
projeto adicionaria. O retorno financeiro acaba sendo muito bom pela localização da
comunidade o que torna o acesso ao GLP em botijão mais difícil, e consequentemente,
mais caro, fazendo com que a sua substituição traga uma grande economia para a
família.
O biofertilizante pode ser um dos diferenciais na economia gerada, não só o
biogás, foi verificado o menor tempo de recuperação nos cenários em que foi
47
considerado o biofertilizante como um dos produtos com valor, pelos altos índices de
nitrogênio, fósforo e potássio que estão presentes nesse biofertilizante.
Um dos pontos que fica claro nessa análise é o potencial da tecnologia para
trazer muita independência a comunidades mais afastadas, principalmente se houver
evolução no rendimento dos motores geradores a gás. O que faria a tecnologia que já é
muito positiva hoje, ser ainda mais atrativa, se fosse possível gerar algo perto do 6,5 kW
utilizando cada m³ de biogás que for gerado.
48
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