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APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE

RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS - UM

ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA

DA GERAÇÃO DE BIOGÁS NA REGIÃO

METROPOLITANA DE BELÉM

Saimon Gleico dos Santos Assuncao (CESUPA)

[email protected]

A principal proposta deste trabalho é realizar um estudo sobre a

viabilidade técnica do aproveitamento energético dos resíduos sólidos

urbanos da Região Metropolitana de Belém, localizada na região

Norte do Brasil. Para isto, foi realizada uma estimativa sobre o

crescimento populacional da região do ano de 2015 ao ano de 2040.

Em seguida, estimou-se a geração de resíduos sólidos da região

metropolitana para cada ano do período. Com o auxilio do software

LandGEM versão 3.02 foi realizado uma estimativa sobre as emissões

de biogás provenientes dos resíduos sólidos urbanos da Região

Metropolitana de Belém. Os resultados da pesquisa apontam que o uso

de resíduos sólidos urbanos para a geração de energia elétrica é viável

na região, uma vez que uma parcela da população consegue ter sua

demanda por energia atendida.

Palavras-chave: Geração de energia, resíduos sólidos urbanos, biogás,

aterros sanitários, viabilidade técnica

XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.

XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção

Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.

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1. Introdução

O suprimento de energia no Brasil está em crise. Nos últimos 15 anos, ele vem mostrando

evidências de sua vulnerabilidade, haja vista o racionamento de energia ocorrido nos anos de

2001 a 2002 por programa do governo no intuito de reduzir 20% do consumo de energia

elétrica em todo país. Outro exemplo da fragilidade do sistema são os constantes apagões ou

desligamentos de curta duração, mas com abrangência em diversos Estados, que vem

ocorrendo no Sistema Interligado Nacional – SIN.

A consequência mais preocupante da crise energética brasileira é aquela que mexe com o

bolso do cidadão e do empresário. Em 2001, o programa de racionamento do governo

implicou nas contas de energia residenciais e comerciais aproximadamente R$ 27 Bilhões do

custo total do programa. Devido às falhas de gestão do atual governo, foi criada uma nova

crise energética que o mesmo tenta solucionar ou minimizar por meio de aumento tarifário

que já se encontra em vigor desde o início deste ano de 2015, com efeitos sentidos desde os

reajustes tarifários de 2014.

Especialistas e a comunidade acadêmica ressaltam a suma importância da criação de um novo

planejamento que atenda as carências energéticas do país. O que pode implicar no

desenvolvimento de um programa de eficiência energética que estimule todas as esferas da

sociedade a um uso mais inteligente da eletricidade, bem como integrar à matriz energética

brasileira novas tecnologias para geração de energia a partir de fontes alternativas. Neste

ponto, destaca-se o aproveitamento dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU).

A geração de resíduos sólidos é uma variável associada ao crescimento populacional urbano,

bem como aos hábitos de vida, valores e padrões de consumo de uma sociedade. Tomando o

Brasil como exemplo, foram gerados mais de 76 Milhões de toneladas de lixo em 2013

(ABRELPE, 2013). A pesar de ser considerada uma solução alternativa para a matriz

energética do país, é preciso lembrar que a má gestão deste material resulta em malefícios

como a proliferação de vetores de doenças, poluição e contaminação de corpos d’agua e na

contribuição ao aquecimento global por meio da liberação de gases do efeito estufa. Desta

forma, o aproveitamento energético do lixo também contribui significativamente para a

mitigação de problemas ambientais.

Devido ser considerada uma prática inadequada, em 2010 foi sancionada uma lei que

determina o encerramento das atividades de lixões no Brasil, que seriam substituídos em



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diversas cidades por aterros sanitários, técnica esta que agrediria menos o meio ambiente.

Adicionalmente, o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica –

PROINFA, criado pelo governo Federal em 2002, amplia o horizonte de oportunidades para

que a massa de resíduos gerados no Brasil tenha destinação mais adequada, pois este

Programa incentiva a atuação do capital privado à criar projetos de empreendimento na área

de geração de energia alternativa.

Assim, o presente estudo realiza uma estimativa do potencial energético, bem como a

viabilidade econômica do biogás gerado a partir dos resíduos sólidos urbanos do aterro

sanitários da Região Metropolitana de Belém (RMB).

2. Referencial teórico

A fim de dar um melhor direcionamento ao estudo, o referencial teórico apresenta nas sessões

a seguir o panorama dos resíduos sólidos no Brasil, a definição de biogás, os métodos de

estimativa de biogás e o estudo de caso em si.

2.1. Panorama dos resíduos sólidos

Para Freire (2010), o termo resíduo é visto quase como um sinônimo de lixo no que tange a

sua definição. Material considerado inútil, descartável, tudo aquilo passível de ser “jogado

fora” ou mesmo sobra de um processo produtivo.

Os resíduos sólidos urbanos, por sua vez, nos termos da Lei Federal nº 12.305/10 que instituiu

a Política Nacional de Resíduos Sólidos, abrange os resíduos originários de atividades

domésticas em residências urbanas e os resíduos de limpeza urbana, quais sejam, os

originários da varrição, limpeza de logradouros e vias públicas, bem como de outros serviços

de limpeza urbana.

No continente europeu, há um forte incentivo aos países da união europeia para a adoção de

estratégias que combinem tanto a recuperação de materiais quanto a incineração. Atualmente

as técnicas mais usadas para tratamento de resíduos sólidos urbanos na Europa são

incineração, reciclagem, compostagem e, ainda, aterros sanitários. A Figura 3 ilustra a

realidade do tratamento de RSU na Europa entre os anos de 1995 a 2012, período alvo da

última pesquisa realizada pela Eurostat.



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Figure 1 - Tratamento de RSU na Europa entre 1995 a 2012 (Kg per capito)

Fonte: Eurostat (2014)

Segundo a Agencia de Proteção ao Meio Ambiente dos Estados Unidos (EPA), no ano de

2012, os EUA reciclaram 65 milhões de toneladas de RSU e outros 21 milhões de toneladas

foram processadas por meio da prática de compostagem. Já a combustão de materiais para o

aproveitamento energético foi responsável pelo processamento de 29 milhões de toneladas de

lixo urbano, o equivalente a aproximadamente 11,7% do total de geração de resíduos, como

ilustrado na Figura 5.

Figure 2 - Tratamento de RSU nos EUA em

2012



5

Fonte: EPA - United States Envinmental Protection Agency

Na China, a população urbana cresceu de 50 milhões em 1949 para 670 milhões em 2010

(THEMESLIS; MUSSCHE, 2013). Mais de 180 milhões de toneladas de lixo são geradas nos

centros urbanos chineses, sendo este material destinado à reciclagem, aterros sanitários, lixões

a céu aberto e plantas de reaproveitamento energético de resíduos sólidos a partir da

incineração.

De acordo com o último relatório técnico da ABRELPE (2013), o Brasil, em 2013, gerou

76.387.200 toneladas de resíduos sólidos. Número este que expressa um aumento de 4,1% em

relação a geração de 2012 e, também, é superior à taxa de crescimento populacional do país,

que marcou 3,7% no período.

Ainda, o relatório revela uma geração diária de RSU, em 2013, de 209.280 toneladas.

Enquanto que a geração per capita (Kg/hab./dia) marcou 1,041, o que representa um

crescimento de 0,39% em ralação à geração per capita registrada no ano de 2012, que foi de

1,037. Os índices de geração de RSU no Brasil são ilustrados na Figura 6 a seguir.

Figure 3 - Geração de RSU no Brasil

Fonte: Pesquisa ABRELPE e IBGE

2.2. O biogás

De acordo com Zanette (2009), o biogás trata-se de uma mistura gasosa resultante da

decomposição de matéria orgânica em condições anaeróbias. Sua composição é feita,

primariamente, de metano e dióxido de carbono, mostrando, adicionalmente, vestígios de

hidrogênio, nitrogênio, monóxido de carbono, carboidratos saturados ou mesmo halogêneos e



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oxigênio. Geralmente, a mistura apresenta saturação de vapor d’agua, material particulado e

silício, dentre outros compostos orgânicos. A autora ainda enfatiza que, de acordo com o

material orgânico e o processo pelo qual este material é processado, o biogás produzido pode

variar em composição e conteúdo energético.

Já a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo – CETESB – considera que, em linhas

gerais, a composição do biogás é feita por sete elementos, sendo o metano e o dióxido de

carbono aqueles que apresentam maior porcentagem, como mostra a Tabela 2.

Tabela 1 - Composição do biogás

Componentes Porcentagem (%)

Metano 50 – 70

Dióxido de carbono 25 – 50

Hidrogênio 0 – 1

Gás sulfídrico 0 – 3

Oxigênio 0 – 2

Amoníaco 0 – 1

Nitrogênio 0 – 7

Fonte: CETESB, 2015

Segundo Persson et. al (2006), instalações de pequena escala utilizam o biogás para

aquecimento e cocção, enquanto unidades de maior porte conseguem aproveitar o biogás para

sistemas de co-geração e como suplemento do gás natural, reduzindo, desta maneira, a

necessidade de consumo de combustíveis fosseis e lenha.

2.3. Métodos de estimativa de geração de biogás em aterros sanitários

Vários são os métodos para estimar a quantidade de metano gerada em um aterro sanitário.

Entretanto, os mais indicados são aqueles que levam em consideração a cinética de geração de

biogás em função de parâmetros como condições climáticas locais, concentração de nutrientes

no solo e composição do resíduo CETESB/SMA (2003).

No presente artigo, serão abordadas três metodologias para estimativa teórica da produção de

biogás e metano em aterros sanitários que variam em complexidade: Método de Inventário do

IPCC (International Panel on Climate Change), o Método de Projeto e o modelo LandGEM.

O Método de Inventário se trata de uma estimativa da quantidade de carbono orgânico

degradável presente em resíduos sólidos, calculando assim a quantidade de metano que pode

ser gerada por determinada quantidade de resíduo depositado, considerando diferentes

categorias de resíduos sólidos (CETESB/SMA, 2003). Para a realização da estimativa é

necessário a inserção de dados estatísticos referentes à população de um local à quantidade de



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resíduos sólidos gerados. Porém, na ausência de dados específicos, recomenda-se o uso dos

dados padronizados fornecidos pelo IPCC. A seguir é a presentada a formula usada no método

de inventário do IPCC.

Sendo:

QCH4: metano gerado (m3CH4/ano)

Popurb: população urbana (habitantes)

TaxaRSD: taxa de geração de resíduos sólidos domiciliares por habitante por ano (kg de

RSD/habitante ano)

RSDf: fração de resíduos sólidos domésticos que é depositada em locais de disposição de

resíduos sólidos (%)

L0: potencial de geração de metano do lixo (kg de CH4/kg de RSD)

pCH4: massa específica do metano (kg/m3).

Assume-se que a massa específica do metano é 0,740 kg/m.

O valor de L0, que representa a produção total de metano em uma tonelada de lixo, varia de

acordo com a composição do resíduo, especialmente da fração de matéria orgânica. Valores

típicos para esse parâmetro variam de 125 m³ a 310 m³ de tonelada de metano por tonelada de

resíduo.

Quando se trata de aterros sanitários em fase de projeto, é recomendado que o Método de

Projeto (USEPA 1, 1997 ; IPCC, 1996) seja utilizado, devido ao fato de ainda não se saber o

real fluo anual de deposição de resíduos. O diferencial deste método é que nele é considerado

a cinética de decomposição dos resíduos. Desta forma a método se divide em duas equações,

uma para representar a cinética de decomposição durante o tempo em que o aterro está aberto,

logo o termo de cinética é igual a 1, e outra que representa a cinética de decomposição

após o aterro ter sido fechado. As formulas são apresentada a seguir.

Função usada durante a vida útil: ;



8

Função usada após o fechamento do aterro: .

Sendo:

Q: metano gerado (m3/ano);

F: fração de metano no biogás (%);

R: quantidade média de resíduos depositados durante a vida útil do aterro (kg RSD/ano);

L: potencial de geração de biogás (m 0 3 de biogás/kg RSD);

k: constante de decaimento ( )

c: tempo decorrido desde o fechamento do aterro (ano);

t: tempo decorrido desde a abertura do aterro (ano)

O modelo LandGEM trata-se de software em ambiente Microsoft Office Excel criado pela

Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos que tem a finalidade de estimar as

emissões de biogás proveniente de aterros sanitários. Baseado em dados empíricos coletados

nos Estados Unidos, o software pode ser obtido gratuitamente no endereço www.epa.gov.

Para a realização das estimativas é necessários a inserção dos seguintes dados: os anos de

abertura e fechamento do aterro, parâmetros de índice de geração de metano, capacidade de

geração de metano do resíduo, percentual de metano em relação ao volume de biogás e o total

de resíduo depositado no aterro a cada ano de funcionamento.

O LandGEM é baseado no Método de Decaimento de Primeira Ordem, método este que

também considera a cinética de decomposição do resíduo sólido ao longo dos anos de

funcionamento do aterro sanitário, bem como após o seu encerramento. O software considera

que a cada ano novas quantidades de resíduos são depositadas, a quantidade de metano gerada

em um determinado ano será igual à geração do resíduo depositado no ano T somada às

gerações dos resíduos depositados nos anos anteriores, referenciadas no ano T. A seguir a

equação do O Método de Decaimento de Primeira Ordem.



9

Sendo:

Q: metano gerado no ano T (m T 3/ano);

F: fração de metano no biogás (%);

Rx: quantidade de resíduo depositado no ano x (kg);

k: constante de decaimento (ano-1);

L0: potencial de geração de biogás (m³ de biogás/kg resíduos sólidos):

T: ano atual;

x: ano de deposição do resíduo.

Soma das vazões de metano correspondentes às quantidades de resíduo depositadas no aterro

ano a ano é feita a fim de se estimar as emissões de biogás em um dado ano, como é ilustrado

na equação a seguir.

Sendo:

: estimativa da soma das vazões de metano no ano considerado (m³ de CH4/ano).

3. Estudo de caso – Região Metropolitana de Belém

O município de Belém possui 1.432.844 habitantes distribuídos em uma área territorial de

1.059,458 km² (IBGE, 2014). Importante centro regional, Belém centraliza toda a atividade

comercial e de serviços especializados do estado do Pará, englobando desde a indústria

extrativa, ao setor de serviços tecnológicos, financeiros, hospitalares e educacionais. Assim, a

cidade de Belém detém um PIB de 20.557.946 mil reais (IBGE, 2012).



10

Em 1973, fruto da primeira lei nacional referente a Regiões Metropolitanas, intitulada Lei

Complementar nº 14, a Região Metropolitana de Belém (RMB) foi criada, sendo formada

inicialmente pelos municípios de Belém e Ananindeua. A Lei Complementar Estadual nº 27

de 1995, faz a incorporação à RMB dos municípios de Marituba, Benevides e Santa Barbara.

Santa Izabel do Pará foi incluída através da Lei Complementar nº 72 de 2010 e o município de

Castanhal teve sua incorporação à RMB realizada pela Lei Complementar nº 76, de 28 de

dezembro de 2011 (BRASIL, 2014).

Desta maneira, a RMB é formada por sete municípios: Belém, Ananindeua, Marituba,

Benevides, Santa Barbara, Santa Izabel do Pará e Castanhal. A união destas cidades gera um

total de 2.381.661 habitantes (IBGE, 2014). Assim como em outras localidades no Brasil, a

RMB sofre da falta de diversificação da matriz energética, sendo grande dependente da

energia hidroelétrica. Além, disso a crescente geração de lixo ameaça tanto o meio ambiente

na região quanto a saúde pública com a proliferação de vetores de doenças e contaminação do

lençol freático.

A RMB despeja seus dejetos em um lixão a céu aberto popularmente conhecido como “lixão

do Aurá” que é circundado por áreas de vegetação nativa, áreas remanescentes da floresta

amazônica e localiza-se próximo à margem de afluentes do Rio Guamá. iam, localizam-se os

mananciais Bolonha e Água preta, as duas principais fontes responsáveis pelo abastecimento

de água da região. Seu projeto inicial incluía uma usina de incineração, reciclagem e

compostagem, bem como um aterro sanitário que apenas receberia o resíduo final dos

processos de incineração e compostagem, porem o espaço recebe todos os tipos de resíduos.

É neste ponto que a importância da realização desse estudo se evidencia, através do

desenvolvimento do estudo da viabilidade técnica do aproveitamento energético dos resíduos

sólidos urbanos.

Visando estudar um melhor aproveitamento dos recursos do lixão da RMB, o estudo realiza

uma estimativa do crescimento populacional da RMB entre os anos de 2015 e 2040,

totalizando 25 anos nos quais um aterro sanitário seria operado a fim de gerar energia a partir

do biogás proveniente dos RSU. Também, é realizada uma estimativa da geração de resíduos

sólidos neste período. Em seguida, o software LandGEM é utilizado para se gerar uma

estimativa de geração de biogás e metano. Por fim, calcula-se a capacidade de geração de

energia a partir deste biogás e as conclusões obtidas a partir dos resultados da pesquisa são

apresentadas.



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4. Estimativa do crescimento populacional da Região Metropolitana de Belém

A fim de estimar o crescimento populacional da RMB foi utilizado o Método dos Mínimos

Quadrados com auxílio do software Microsoft Office Excel tomando por base os dados da

população da RMB dos anos de 2000 a 2014, através do qual foi obtido um modelo

matemático para a estimativa da população. O modelo matemático obtido é apresentado a

seguir.

Coeficiente de Determinação (R²) obtido para o modelo foi de 85%, o que significa que 85%

das estimativas para a população da RMB podem ser explicadas pelo modelo matemático. A

Tabela 5 a seguir mostra a população estimada em cada ano do período entre 2015 e 2040.

Tabela 2 - Estimativa de crescimento populacional



12

Fonte: Elaborado pelo autor

5. Estimativa da geração de resíduos sólidos urbanos na Região Metropolitana de Belém

Uma vez que a projeção populacional foi realizada, foi feita a estimativa da geração de

resíduos sólidos urbanos na RMB consideração uma taxa de geração de resíduos sólidos de

0.892 kg por habitante por dia (ABRELPE, 2013). Desta forma, gerou-se a tabela a seguir

com a geração de resíduos sólidos na RMB em seus respectivos anos.



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Tabela 3 - Estimativa da geração de resíduos sólidos urbanos


6. Estimativa da geração de biogás e metano

Para a estimativa da quantidade de biogás e de metano gerados a partir do RSU da RMB, foi

utilizado o modelo de estimativas de emissões LandGEM, que é o Modelo de Emissão de

Gases em Aterros Sanitários da EPA, versão 3.02. Como dados de input, foram adotados um

k=0.170, um L0=170 m³/Mg e um percentual de metano presente no biogás de 55%. Assim,

foi obtida a tabela a seguir.

De acordo com a estimativa, até o ano de encerramento do aterro, há uma produção média

anual de 195,538,105.13 m³ de biogás, sendo que deste total 86,036,766.26 m³ correspondem

à produção média anual de metano. A figura a seguir mostra a geração dos gases ao longo dos

anos do projeto.



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Tabela 4 - Estimativa da geração de biogás e metano


Nota-se que após o ano de encerramento do aterro sanitário ocorre o pico da produção de

biogás e metano.

Figure 4 - Estimativas de geração de biogás e metano




15

Para estimativa do potencial energético foi adotado um potencial de geração de eletricidade de

5.10 kWh/m³ (SILVA et al., 2008). Os resultados para estimativa de geração de energia a

partir do biogás proveniente dos RSU da RMB são apresentados na tabela a seguir.

Tabela 5 - Estimativa de Geração de Energia


A figura a seguir ilustra graficamente a estimativa de geração de energia ao longo dos anos de

funcionamento do aterro sanitário.

Figure 5 - Estimativa da geração de energia




16

Diante deste cenário, estima-se que uma média de 2,866,346.71 kWh/mês são gerados em

cada da projeção a partir dos RSU da RMB. Segundo o EPE (2015), o consumo residencial

médio da região Norte é de 166.80k Wh/mês/residência, logo a energia gerada a partir dos

resíduos sólidos da RMB seria capaz de atender 17,184.33 residências.

Adicionalmente, considerando a tarifa residencial de energia vigente praticado pela CELPA –

Centrais Elétricas do Pará – que corresponde ao valor de 0,49425 R$/kWh, o município

economizaria um total de 17,000,302.33 reais por ano operando o aterro sanitário.

7. Conclusão

O presente artigo teve como objetivo realizar um estudo de viabilidade técnica do

aproveitamento energético de resíduos sólidos urbanos na Região Metropolitana de Belém,

que é formada por sete municípios e se localiza na região Norte do Brasil. Com uma crescente

população, a geração de resíduos sólidos na região metropolitana também se intensifica,

aumentando os riscos a saúde pública e ao meio ambiente, bem como o aumento pela

demanda de energia elétrica. Neste cenário, apontou-se o uso dos resíduos sólidos urbanos

para geração de energia alternativa como solução para a problemática.

Através do Método dos Mínimos Quadrados foram realizadas projeções para o crescimento da

população da RMB para o período compreendido pelos anos de 2015 e 2040. Isto possibilitou

uma estimativa de geração de resíduos sólidos para cada ano do período. Desta forma, foi

possível estimar a geração de biogás com o uso do software LandGEM e em seguida o seu

potencial energético.

Os resultados revelaram que mais de 17 mil habitantes podem ter suas demandas por energia

atendidas com o aproveitamento energético dos resíduos da RMB. Analisando a tarifa

residencial atual de energia praticada na região, é possível o município economizar

17,000,302.33 reais por ano operando o aterro sanitário. Desta forma, conclui-se que a

geração de energia a partir de resíduos sólidos urbanos é viável na Região Metropolitana de

Belém.

Para futuras pesquisas nesta área, sugere-se a comparação dos resultados de outros métodos

de estimativa de geração de biogás a partir de aterros sanitários, bem como o estudo da

viabilidade econômica e financeira de um projeto de aterro sanitário.



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REFERÊNCIAS

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<http://www.abrelpe.org.br/panorama_apresentacao.cfm>. Acesso em: 4 fev. 2015.

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