Estado da arte da utilização do biogás - Jundiaí · H 2 O 14/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014 27 Remoção do CO 2 -Upgrading

Estado da arte da utilizaçãodo biogás

Um panorama das possibilidades

Dr. Sabine Robra

M. Sc. Thomas Raussen

Witzenhausen-Institut GmbH, Witzenhausen, Alemanha

14/11/2014 2

Conteúdo

1. Introdução

2. Combustão direta

3. Cogeração: energia elétrica e térmica

1. Remoção de enxofre e da água

2. Papel na matriz energética

3. Opções para a utlização do calor residual

4. Biometano

1. Remoção do CO2 e purificação

2. Opções de utilização do biometano

3. Aproveitamento do CO2

5. Metanização do CO2

6. Resumo

S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014

14/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014 3

1 - Introdução


Fontes para a geração do biogás1

. In

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du

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o

Aterros ETEs

Resíduos orgânicossólidos e líquidos

lokalo24.de

CO2, CH4,H2S, ...

Biodigestão anaeróbia


Composição média do biogás

Oxigênio, O2

Sulfeto de hidrogênio H2S

Água, H2O

Nitrogênio, N2

Impurezas, siloxanos, hidrogênio, H2

Metano, CH4

Dióxido de carbono, CO2

1. In

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o

14/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014 614/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014 6

Resíduos orgânicos e a geração do biogás

líquido sólido

MS / ST [%]

Esgotos

Efluentes industriais

Efluentes/Dejetos de animais

Plantas energéticas

RSU (orgânicos)

UASB, EGSB, etc. Lagoas cobertas

Reatores contínuos,agitados

Processos a úmido Processos a seco

Processos em batelada(“Garagem”)

Processos contínuos

“Plug flow”

> 30%5% - 15%< 3%0,01%

e-voda.cz

1. In

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o

wikipedia.de

7

Opções da utilização do biogás

Energia elétrica

Energia elétrica

Calor

Combustível

0

Cogeração

Biometano

Gasoduto

Armazenamento

14/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014

Geração do biogás

Utilização do CO2

CH4: 95-99 Vol-%

1. In

tro

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çã

o

Combustão direta(vapor, motores Stirling)

Calor


2 - Combustão direta


2. C

om

bu

stão

dir

eta

Geração e utilização de calor

Combustão direta:Biogás,

gáses fracos(Flares)

Calor

Secagem

Refrigeração

Motores Stirling

Vapor de processo

conrad.de

pinhalense.com.br

stirling-energie.de

PCI

55 – 60 % CH4

5,5 – 6,0 kWh/m³

21,5 – 23,5 MJ/m³


3 - Cogeração:energia elétrica e térmica


Motor tipo Diesel

Foto: Fa. Schnell

Agregados utilizados na cogeração

Motor a gás

Microturbina a biogás

Cogeração em escalamicro e nano

viessmann.de

Motor Stirling

• 1 kWel

• 3,6 - 26 kWt

• 27 - 200 kWel

• 68 - 295 kWt

• 170 - 530 kWel

• 160 - 419 kWt

• 160 - 530 kWel

• 147 - 457 kWt

2. C

oge

raçã

o


• Ótima regulagem;

• Alta flexibilidade;

• Armazenamento de energia.

7,3 bilhões de €

2. C

oge

raçã

oEstado da cogeração na Alemanha, em 2013

26,5 GWh

4,4% da produçãode eletricidade

bruta

41.000 postos detrabalho

n u

sin

as

MW

inst

alad

os

Potência instalada


• Temperatura máxima: 40 °C;

• Pressão: 20 hPa a 80 hPa;

• PCI: de 4,3 kWh/Nm³ e 7 kWh/Nm³ (= 45 % bis 70 % CH4);

• Variações do PCI: ± 1 %/30 s (capacidadede compensação depende do fabricante);

• Umidade relativa: < 80%;

• H2S: < 200 ppm (< 8 ppm com catalisadores instalados);

• Silício (Siloxanos) < 5 mg/Nm³ (0 mg/Nm³ com catalisadores instalados).

Exigências ao biogás para a cogeração

H2S

H2O

Si

3. C

oge

raçã

o

3. C

oge

raçã

oRemoção do H2S


• Oxidação biológica (O2, Thiobacillus)

‒ interna

‒ externa

• Oxidação química com adição de compostos de ferroao substrato: Fe2O3, FeSO4 FeS (Método pro-ativo)

< 1000 ppm

< 200 ppm

Dessulfurização grossa:

94%, p.ex. de 250 ppm para 15 ppm

0,1 Vol.% = 1000 ppm = 1530 mg/Nm³

Remoção do H2S


Lavagem química-oxidativa (p. ex NaOH)

50 ppm - 5 ppm

Dessulfurização grossa em filtros externos:

Adsorção em granulados de Fe(OH)3

Remoção química-biológica(Pellets de celulose, Fe(OH)3)

< 5 ppm

50 ppm - 0 ppm

2. C

oge

raçã

o

ts-anlagenbau.de

Remoção do H2S


http://biobg.de/

< 150 ppm H2S

Halógenos orgânicosabsorvíveis, Siloxanos

0 ‒ 5 ppm H2S

• Adsorção em carvão ativado, dotado (KMnO4)

Dessulfurização fina:

• Necessidade depende das especificações técnicasdos motores instalados

Gás de aterros, ETEs

2. C

oge

raçã

o

Secagem do biogás

Secagem por condensação


beton-tille.de

Secagem por adsorção

Gel de silica ou “argila ativada”

directindustry.de

giebel-adsorber.de

Gel Al2O3Gel de silica

Refrigeração natural o artificial

2. C

oge

raçã

o


Energia elétrica renovável (ER) na Alemanha

Objetivos Flutuação na disponibilidadee na demanda de ER

Capacidades adicionaisflexíveis de ER

Gestão da geraçãode ER (ad hoc)

Novo papel na matriz energética: “Termelétricas virtuais”

2. C

oge

raçã

o

shz.de


Calor

Cogeração direcionada

Gerenciamento da cogeração

Armazenamento

Geração do biogás

Plantas energéticasResíduos orgânicos

direcionada

Ano 2030:

9 TWhel

2. C

oge

raçã

o

Termelétricas conv. EólicaSolar Hidrelétrica Biomassa Consumo de energia elétrica

Energ

iaelé

tric

a,

pro

du

ção

e co

nsu

mo


Alemanha: 8 dias em maio...

2. C

oge

raçã

oGerenciamento da cogeração

kW

h

€/M

Wh

Potência

Fonte: Roth, 2014

Nivel de enchimento do gasômetro

Potência estipulada Preço spot em EUR/MWh

2. C

oge

raçã

oGerenciamento da cogeração


Calor40–45%

Eletrici-dade

35–47%

Perdas10–20%

Calor deprocesso(Biogás)

Perdas15%

Calordispo-nível

45-65%

Co e Trigeração: eletricidade, calor e frio

Fluxos de energia térmica na cogeração

3. O

pçõ

es p

ara

a u

tliz

ação

do

cal

or

resi

du

al

Geraçãode frio

Calor de processo, secagem, calefação,

ORC

>40%

Cogeração

Energia,100%

Eficiências de ≤ 90%Energia térmica produzida pelo biogás e

biometano em 2013: 11,7 bilhões de kWht

80 -130 °C

30 – 40%:80 – 90 °C

50 – 60%:460 – 550 °C


Aquecimento

‒ Redes locais de distribuição de calor;

‒ Criação de animais (Leitões, pintos);

‒ Estufas, aquacultura;

‒ Calor de processo (Indústria alimentícia, lavandarias, hospitais etc).

3. G

eraç

ãod

e en

ergi

ael

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cae

de

calo

rOpções de utilização do calor residual

Animais

http://www.stallklima.de/

Edifícios públicos

Casas de famílias

ais.badische-zeitung.de

miele.de

Lavandarias

uni-muenster.de

Estufas+ CO2

Secagem:

‒ Grãos;

‒ Feno (o ano inteiro);

‒ Lenha, cavacos (o ano inteiro);

‒ Resíduos da biodigestão (o ano inteiro);

‒ Lodos de ETEs, resíduos do tratamento de RSU;

‒ etc.


3. G

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ergi

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cae

de

calo

r

Grãosembrapa.br

Feno

agricompact-technologies.de

Lenha, cavacos

kaminholz-aachen.destela.de

Lodos

Opções de utilização do calor residual


Produção de frio (“Tri-geração”)

‒ Ar condicionado central;

‒ Ar condicionado em estabulos;

‒ Refrigeração da sala de ordenha;

‒ Refrigeração do leite;

‒ Refrigeração de grãos;

‒ Refrigeração comercial

‒ etc.

3. G

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ergi

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cae

de

calo

rOpções de utilização do calor residual

150-170 kW para 1.000 m² de espaço

1 TR = 3,86 kWh

Temperaturas:

• brometo de lítio: 4,5°C

• amônia: -60°C Refrigeração de absorção


4 - Biometano

H2O


Remoção do CO2 - Upgrading

Biometano

CH4: 95-99 Vol-%

H2SCO2

Alemanha, junho 2014:

• 151 usinas produziram biometano

• 93.650 Nm³/h;

• 22 usinas estão em construção;

• 24 estão em fase de planejamento.

4. B

iom

etan

o Evolução das capacidades de injeção de bio-metano aos gasodutos da Alemanha

Objetivos do governo:

2020: 6.000 x 106 m³/a injetados aos gasodutos

2030: 10.000 x 106 m³/a injetados aos gasodutos

Usinas Capacidade de injeção (106 m³/a)

10% do consumo degás natural

atual:10 x 109 m³/a

2030


Tecnologias de remoção do CO2 , instaladas na Alemanha (2011)


Fonte: Fraunhofer-IWES (2012), Biogaspartner (2014)

4. B

iom

etan

o

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Usi

nas

Separação por membranas Lavagem orgânica-física

Lavagem com água sob pressão PSA

Lavagem com aminas


Parâmetro Lavagemcom água

sob pressão

Lavagemorgânico-

física

Lavagemcom

aminasPSA

Separaçãopor

membranas

Teor de CH4 [%-vol] 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0 95,0 – 99,0> 99,0

Perdas de CH4 [%-vol] 0,5 – 3,0 4,0 0,04 1 - 4 20 - < 0,5

Capacidade de produção [m³/h]

200 – 1.200 300 – 1.500 300 – 1.500 300 – 1.500 300 – 1.500

Demanda energética[kWhel/m³ biometano]

0,46 0,49 – 0,67 0,27 0,46 0,25 – 0,43

Demanda de calor [°C]

média70 – 80 °C

alta120-160 °C

— — —

Comparação das tecnologias de remoção do CO2

• Todas as tecnologias são aplicadas industrialmente, há muito tempo;• Tratamento dos gases de escape necessário ( 0,05% CH4); • A comparação das vantagens e desvantagens das tecnologias é difícil;• Os parâmetros dos diversos processos dependem das condições locais.



Remoção do CO2 - Upgrading4

. Bio

met

ano

Fonte: SGC Rapport 2013:270

Capacidade de biogás crú (Nm³/h

Cu

sto

ses

pec

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os

de

inve

stim

ento

[€/N

m³/

h]

Comparação dos custos específicos de investimentodas tecnologias de remoção do CO2


Comercialização do biometano

• Lei de cotas de combustíveis renováveis;• Cotas de bio-metano podem ser comercializadas;

4. B

iom

etan

o

Biometano

Purificação> 97% CH4

Gasoduto

H2S

Gás naturalCO2

H2O

2013: maisimportante

2014: Reformada EEG:

Mais potencial

32Wendland Biogas, 2006 14/11/2014 S. Robra, Th. Raussen - 1º SEMINÀRIO TÉCNICO INTERNACIONAL, Jundiaí/SP, 2014

Biogmetano como combustível veicular

Combustível-equivalente

1 kg bio-metano = ca. 1,5 L de gasolinaou 1,3 l de óleo diesel

Redução de GEE

16 g CO2eq/MJ (biometano de estercos) Gasolina: 83,8 g CO2 eq/MJ*

Comentários técnicos

Uso sem restrições em carros a GNV (DIN 51624)

* Valores padrão das emissões dos GEEs segundo diretiva EU 2009/28EG

Postos Veículos

Postos Veículos

4. B

iom

etan

o

• 30% dos 919 postos de GNV vendem Bio-GNV;

• 180 vendem 100% Bio-GNV;

• Vendas de Bio-GNV 2013: 0,4 bilhões de kWh.


Utilização do CO2 para a produção de biomassa

• Teor natural de CO2 no ar: 350 ppm = 0,034% v/v;

• Teor ótimo de CO2 para as plantas: 800 – 1000 ppm;

• Os gases de escape da cogeração contêm 6% de CO2;

Fertilização de estufas com CO2 oriundo da cogeração/purificação:

• Substitui o CO2 líquido

• Eliminação de componentes nocivos por filtros;

• Valor agregado:aumento de rendimento de até 35% para alface

Produção de microalgas:

• Eliminação de componentes nocivos por filtros;

• Valor agregado:

4. B

iom

etan

o


5 - Metanização do CO2


Metanização do CO2 – Power to gas

Excedentes deeletricidade renovável

Met

aniz

ação

do

CO

2

CO2

kavernen-informationszentrum-etzel.de

Caverna

PorosidadeGasoduto

23 x 109 m³

• Armazenamento de energia em forma química;

• Fornecimento flexível de energia;

• Transporte de energia elétrica pela rede de gasodutos.


Met

aniz

ação

do

CO

2

Eletrólise MetanizaçãoGasoduto

HidrogênioH2

ÁguaH2O

OxigênioO2

MetanoCH4Eletricidade

renovável

Calor

Dióxido decarbono

CO2

Metanização do CO2 – Power to gas

Adição de H2 ao fluxo de CO2: CO2 + 4H2 CH4 + 2 H2O;

2 H2O 2 H2 + O2

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

kWh/a

H2O


Utilização do CO2: Power-to-GasM

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ãod

o C

O2

Plantas energéticas

40 t/a

H2S

CO2Produção de biogás

Purificação

CH4

46.700kW/a

256.000kWh/a

Eólica, fotovoltáica

0,38 GW/a

9 GW/a

Eletrólise

H2O

Metanização

CH4H2


Power-to-Gas: Projetos na AlemanhaM

etan

izaç

ãod

o C

O2 Geração de energia elétricaa partir do metano sintético:

• Eficiências de 50 – 67%;

• O preço do CH4 sintéticoainda é 3 vezes maiscaro que o gás natural;

• O preço do petróleoestá aumentando:

• As energias solar e eólicasão cada vez mais baratas.

Essa tecnologia é emergente, porém, promessora

Pré-projeto

em planejamento

em construção

em operaçãopowertogas.info

• Biogás é versátil e flexível;

• A cogeração pode assumir um papel equalizadorna matriz energética;

• O aproveitamento do calor e do frio aumentaa eficiência energética do biogás para até 90%;

• Biogás purificado armazenado complementa asoutras renováveis (p.ex. solar, eólica, hidrelétrica);

• Excedentes de energia solar e eólica podem ser estocados emforma de metano, produzido por meio da metanização de CO2

separado do biogás.


Resumo5

. Res

um

o


Quem somos

Witzenhausen-Institut GmbHAtuamos nos campos• Análise de fluxos de massas e potenciais;• Consultorias e formação profissional;• Avaliação Due diligence;• Pesquisa e desenvolvimento• Cooperação técnológica internacional

(Basil)• Congressos técnicos:

Kasseler Abfallforum, Biomasseforum, ...

Fundado em 1992

• Incubadora da Universidadede Kassel;

• 35 Funcionários:‒ Engenheiros civís, ambientais,

geógrafos, economistas;• Forte interligação das áreas RSU

e planejamento.


Obrigada pela atenção!

Contatos:

Sabine Robra: [email protected]

Thomas Raussen: [email protected]

Internet: www.witzenhausen-institut.de

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