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Trabalho de conclusão de curso nota 10 sobre geração de energia elétrica através do biogás.
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Trabalho de Conclusão de Curso
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Curso de Graduação em Engenharia Elétrica
BIOGÁS DE ATERROS SANITÁRIOS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Guilherme Liporaci Cruz
Trabalho de Conclusão de Curso
Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC Curso de Graduação em Engenharia Elétrica
Guilherme Liporaci Cruz
BIOGÁS DE ATERROS SANITÁRIOS PARA GERAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
TCC submetido ao Programa de
Graduação da Universidade Federal de
Santa Catarina para a obtenção do
Grau de Bacharel em Engenharia
Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. C. Celso de
Brasil Camargo.
Florianópolis
2013
Guilherme Liporaci Cruz
BIOGÁS DE ATERROS SANITÁRIOS PARA GERAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA
Esta monografia foi julgada adequada para obtenção do Título de
Bacharel em Engenharia Elétrica e aprovada em sua forma final pelo
Programa de Graduação da Universidade Federal de Santa Catarina.
UFSC, 08 de julho de 2013.
________________________
Prof. Renato Lucas Pacheco, Dr.
Coordenador do Curso
Banca Examinadora:
________________________
Prof. C. Celso de Brasil Camargo, Dr.
Orientador
________________________
Prof. Enio Valmor Kassick, Dr.
Membro da banca
________________________
Prof. Jorge Coelho, D. Sc.
Membro da banca
Este trabalho é dedicado a todos os
alunos de engenharia elétrica.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. C. Celso de Brasil Camargo pela orientação e sugestões
durante a realização deste trabalho.
RESUMO
A disposição final de resíduos sólidos urbanos é atualmente um grave
problema nos municípios brasileiros. Gases poluentes provenientes dos
lixões são emitidos ao ambiente em grandes quantidades, provocando
aumento do efeito estufa, que é um fenômeno natural que mantém a
Terra aquecida, além de causar danos à vegetação, gerar odores
desagradáveis e oferecer riscos de explosão. Este trabalho analisa a
viabilidade econômica de se extrair o biogás de um aterro sanitário
semelhante ao de Tijuquinhas, localizado em Biguaçu, Santa Catarina,
com a finalidade de gerar energia elétrica para uso e comercialização.
Com a geração de energia e queima do biogás em flare (sistema de
queima do biogás), grande parte do metano presente nesse gás é
transformado em gás carbônico, que tem um potencial de aquecimento
global por volta de 21 vezes menor. Neste projeto é calculado o
potencial e a estimativa de geração de metano, a partir daí calcula-se a
potência e energia disponível no aterro ao longo dos anos e por fim é
definido um sistema de geração de energia. A tecnologia de conversão
de energia escolhida é o motor ciclo diesel adaptado para funcionar a
biogás. Essa tecnologia foi escolhida, pois seu custo e eficiência são
mais atrativos comparados às turbinas a gás e microturbinas. Os
resultados da análise financeira da geração e comercialização de energia
mostram que, quando agregadas às vendas de créditos de carbono, os
quais são vendidos aos países desenvolvidos, o projeto se torna viável,
pois é obtido um valor presente líquido (VPL) positivo, uma taxa interna
de retorno (TIR) maior do que a taxa mínima de atratividade (TMA) e
uma relação custo-benefício maior do que um. O payback obtido foi de
16 anos, valor que pode ser considerado atraente, pois como o projeto
tem duração de 32 anos haverá um saldo acumulado positivo por 16
anos.
Palavras-chave: Aterro Sanitário. Biogás. Energia Elétrica. Resíduos
Sólidos Urbanos. Créditos de Carbono.
ABSTRACT
The disposal of urban solid waste is a serious problem nowadays in the
Brazilian cities. Greenhouse gases from dumps are emitted to the
environment in large quantities, causing the growth of greenhouse
effect, which is a natural phenomenon that keeps the Earth warm, as
well as damage to the vegetation, awkward odors and explosion risks.
This work analyzes the economic viability of extracting the biogas from
a landfill similar to Tijuquinhas, located in Biguaçu, Santa Catarina, in
order to generate electric energy for use and marketing. With the energy
generation and the burning of biogas in a flare (biogas burning system),
most part of the methane contained in this gas is transformed in carbon
dioxide, which has a global warming potential around 21 times smaller.
In this project is calculated the potential and estimation of methane
generation, then is calculated the power and energy available in the
landfill throughout the years and finally is defined an energy generation
system. The chosen energy conversion technology is the diesel engine
adapted to biogas. This technology was chosen because its cost and
efficiency are more attractive than gas turbines and micro turbines. The
results of the energy generation and commercialization financial
analysis show that when associated to the selling of carbon credits,
which are sold to developed countries, the project becomes feasible,
because it shows a positive net present value (NPV), an internal rate of
return (IRR) greater than the minimum acceptable rate of return
(MARR) and a benefit-cost ratio higher than one. The obtained payback
was 16 years, a value that can be considered attractive, because as the
project has duration of 32 years there will be a positive accumulated
balance for 16 years.
Keywords: Landfill. Biogas. Electric Energy. Urban Solid Waste.
Carbon Credits.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fluxograma do estudo de caso. .........................................................27 Figura 2 - Método da trincheira. ........................................................................39 Figura 3 - Método de rampa. .............................................................................39 Figura 4 - Método de área. .................................................................................40 Figura 5 - Poço vertical. .....................................................................................41 Figura 6 - Flare aberto. ......................................................................................42 Figura 7 - Flare enclausurado. ...........................................................................43 Figura 8 - Turbina a gás. ....................................................................................45 Figura 9 - Ciclo de Brayton aberto. ...................................................................46 Figura 10 - Ciclo de Brayton fechado. ...............................................................47 Figura 11 - Interior de uma microturbina. ..........................................................48 Figura 12 - Etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto. .........................49 Figura 13 - Relação pressão x volume do ciclo Otto. ........................................50 Figura 14 - Etapas de funcionamento de um motor ciclo Diesel. ......................51 Figura 15 - Relação pressão x volume do ciclo Diesel. .....................................52 Figura 16 - Esquema do aterro de Tijuquinhas. .................................................56
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Estimativa de produção de metano. .................................................61 Gráfico 2 - Curva da potência. ...........................................................................64 Gráfico 3 - Curva da energia. .............................................................................64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico. .......31 Tabela 2 - Equivalência energética de 1Nm
3 de biogás em relação a outros
combustíveis. .....................................................................................................32 Tabela 3 - Comparação entre os principais gases. .............................................34 Tabela 4 - Características das tecnologias de conversão comerciais. ................52 Tabela 5 - Lixo sólido municipal depositado no aterro de Tijuquinhas durante a
sua vida útil. .......................................................................................................56 Tabela 6 - Fator de correção do metano. ............................................................57 Tabela 7 - Carbono orgânico degradável no metano para os principais tipos de
lixo. ....................................................................................................................58 Tabela 8 - Composição do lixo na área metropolitana de Florianópolis. ...........58 Tabela 9 - Valores sugeridos para k. ..................................................................59 Tabela 10 - Estimativa de produção de metano. ................................................60 Tabela 11 - Potência e energia disponíveis no aterro. ........................................62 Tabela 12 - Captação, consumo e queima do metano. .......................................65 Tabela 13 - Consumo de energia no aterro. .......................................................67 Tabela 14 - Custos de investimento e O&M. .....................................................68 Tabela 15 - CO2 equivalente para geração de créditos de carbono. ..................69 Tabela 16 - Receita obtida com os créditos de carbono. ....................................70 Tabela 17 - Estudo de viabilidade do projeto. ...................................................74
LISTA DE SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL – Agencia Nacional de Energia Elétrica
BNDES - Banco Nacional do Desenvolvimento
Celesc - Centrais Elétricas de Santa Catarina
CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa
CIMGC - Comissão Interministerial de Mudança Global do Clima
DOC - Degradable Organic Carbon
GDL - Gás do Lixo
GLP - Gás Liquefeito de Petróleo
IBAM – Instituto Brasileiro de Administração Municipal
IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
MCF - Methane Conversion Factor
MDL - Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
NMOC - Non-methane Organic Compound
O&M – Operação e Manutenção
PCI - Poder Calorífico Inferior
RCB – Relação Custo-Benefício
RCEs - Reduções Certificadas de Emissões
TIR – Taxa Interna de Retorno
TMA – Taxa Mínima de Atratividade
VPL – Valor Presente Líquido
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO ................................................... 25
1.1 OBJETIVOS ........................................................................................ 25 1.1.1 Objetivo Geral ................................................................................ 25 1.1.2 Objetivos Específicos ...................................................................... 25
1.2 MOTIVAÇÃO ..................................................................................... 25
1.3 METODOLOGIA................................................................................. 26
CAPÍTULO 2: ESTADO DA ARTE DO BIOGÁS .................... 29
2.1 HISTÓRICO DO BIOGÁS ..................................................................... 29
2.2 FORMAÇÃO DO BIOGÁS ................................................................... 30 2.2.1 Aspectos Físico-químicos................................................................ 30 2.2.2 Fatores que Influenciam a Geração do Biogás ............................... 32
2.3 COMPARAÇÃO DO BIOGÁS COM OUTROS GASES ............................. 33
CAPÍTULO 3: RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS E ATERROS SANITÁRIOS ................................................................................ 35
3.1 DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÕES DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ... 35 3.1.1 Classificação quanto aos riscos potenciais ao meio ambiente ....... 35 3.1.2 Classificação quanto à natureza ou origem .................................... 35
3.2 OS ATERROS SANITÁRIOS ................................................................. 37 3.2.1 Riscos ambientais dos lixões .......................................................... 37 3.2.2 Métodos de aterramento dos resíduos .......................................... 38 3.2.3 Sistemas de captação do biogás ..................................................... 40 3.2.4 Sistema de queima do biogás ......................................................... 42 3.2.5 Sistema de tratamento do biogás .................................................. 43
CAPÍTULO 4: TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS ......................................................................................................... 45
4.1 TURBINAS A GÁS ............................................................................... 45 4.1.1 Turbinas de ciclo Brayton ............................................................... 45
4.1.1.1 Ciclo aberto .............................................................................. 46 4.1.1.2 Ciclo fechado............................................................................ 46
4.1.2 Microturbinas ................................................................................. 47
4.2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ................................................ 48 4.2.1 Ciclo Otto ........................................................................................ 48 4.2.2 Ciclo Diesel ...................................................................................... 50
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO ................. 52
CAPÍTULO 5: ESTUDO DE CASO ............................................ 55
5.1 DADOS DO ATERRO DE TIJUQUINHAS ............................................... 55
5.2 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE METANO .............................................. 57
5.3 ESTIMATIVA DE GERAÇÃO DE METANO ............................................ 59
5.4 ESTIMATIVA DE POTÊNCIA E ENERGIA DISPONÍVEIS NO ATERRO ...... 62
5.5 SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA .................................................. 64
5.6 ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA ............................................. 67 5.6.1 Custos de implementação .............................................................. 67 5.6.2 Receita pelos créditos de carbono e venda de energia .................. 68 5.6.3 Cálculos do Valor Presente Líquido (VPL) e Taxa Interna de Retorno (TIR) ......................................................................................................... 72 5.6.4 Financiamento, payback e relação custo-benefício ....................... 72
CAPÍTULO 6: CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 77
6.1 CONCLUSÕES..................................................................................... 77
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................... 77
REFERÊNCIAS ............................................................................. 79
APÊNDICE A – CRONOGRAMA ............................................... 83
25
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO
Início da parte textual do trabalho. O lixo urbano das grandes
cidades vem sendo alvo de muitos estudos e pesquisas, devido às
preocupações sempre presentes quanto ao seu destino e manejo. Os
resíduos sólidos dispostos em lixões produzem o biogás, que é emitido
diretamente na atmosfera. Esse gás contribui altamente para o efeito
estufa por se constituir principalmente de metano (CH4) e gás carbônico
(CO2). Além disso, há produção de chorume, líquido poluente de cor
escura originado da decomposição de resíduos orgânicos, o qual pode
contaminar o solo e a água.
Uma das maneiras de controlar a emissão do biogás no ambiente
é o seu uso na geração de energia elétrica, sendo possível também a
venda de créditos de carbono. Portanto, os aterros sanitários que usarem
o metano com o objetivo de gerar energia ou transformá-lo em CO2
através da queima em flares (dispositivos de combustão para queima do
biogás) poderão ser remunerados por isso, ao mesmo tempo em que
colaboram com o meio ambiente.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Fazer um estudo do biogás gerado nos aterros sanitários e analisar
sua viabilidade técnica, econômica e ambiental para geração de energia
elétrica.
1.1.2 Objetivos Específicos
Fazer um estudo de caso de um aterro sanitário hipotético,
semelhante ao de Tijuquinhas, em Biguaçu;
Apresentar as tecnologias de conversão do biogás em energia
elétrica e avaliar suas viabilidades técnica e econômica;
Avaliar a redução no impacto ambiental proporcionado pelo uso
do biogás.
1.2 MOTIVAÇÃO
Nos aterros sanitários os microorganismos são responsáveis por
produzir grandes quantidades de gases no processo de digestão
anaeróbia dos resíduos sólidos. Isso leva à produção de um gás
26
conhecido como “biogás”, o qual é composto principalmente de metano
e dióxido de carbono, que contribuem para o efeito estufa. Além disso,
há a formação do chorume, substância líquida resultante do processo de
putrefação (apodrecimento) de resíduos orgânicos, que pode contaminar
os lençóis freáticos.
Desse modo, este trabalho tem a pretensão de apresentar uma
maneira de utilizar o biogás de forma a gerar energia elétrica. Com isso,
será possível reduzir os níveis de poluição e ao mesmo tempo diminuir o
consumo de energia proveniente de fontes não renováveis.
1.3 METODOLOGIA
Para o desenvolvimento deste trabalho será usada a metodologia
do estudo de caso. Primeiramente será apresentado o estado da arte do
biogás, contendo seu histórico, formação, aspectos físico-químicos,
fatores que influenciam sua formação, além da comparação deste gás
com outros gases.
Posteriormente será feito um estudo dos resíduos sólidos, no qual
serão apresentadas suas classificações e os diferentes métodos de
aterramento desses resíduos. Em seguida serão mostradas as
características dos aterros sanitários e os sistemas de coleta e conversão
do biogás.
Será realizado um estudo de caso de um aterro sanitário
hipotético, semelhante ao de Tijuquinhas, em Biguaçu. Serão descritas
as principais características do aterro e os sistemas instalados para
captação e queima do biogás. Serão determinados o potencial de
produção de biogás e a capacidade de geração de energia elétrica no
aterro selecionado, além da avaliação da redução no impacto ambiental.
Em seguida será apresentado o sistema usado na geração de energia
elétrica. Por fim, será feita uma análise de viabilidade econômica do
projeto. A figura 1 mostra o fluxograma que representa como o estudo
de caso será elaborado.
27
Figura 1 - Fluxograma do estudo de caso.
Início do estudo
de caso
Calcular o
carbono orgânico
degradável no lixo
Definir o fator de
correção do
metano
Definir a fração de
metano presente
no biogás
Calcular o
potencial de
geração de
metano em tCH4/
tlixo
Converter o
potencial de
geração de
metano para
m³CH4/tlixo
Calcular a
estimativa de
geração de
metano
Calcular a
potência e energia
disponíveis no
aterro
Calcular a vazão
de biogás para
alimentar o
sistema de
conversão de
energia
Calcular o
consumo anual de
energia no aterro
Calcular o
investimento total
e o custo anual de
O&M
Calcular as
receitas obtidas
anualmente com
as vendas de
créditos de
carbono e energia
Fazer análise de
viabilidade
econômica
Fonte: desenvolvido pelo autor.
28
29
CAPÍTULO 2: ESTADO DA ARTE DO BIOGÁS
2.1 HISTÓRICO DO BIOGÁS
O biogás, também conhecido como gás dos pântanos, foi
descoberto em 1667 por Thomas Shirley. No entanto em 1776,
Alessandro Volta reconheceu a presença de metano no gás dos pântanos.
No século XIX o aluno de Louis Pasteur, Ulysse Grayon, realizou a
fermentação anaeróbia (decomposição sem presença de oxigênio) de
uma mistura de estrume e água, a 35ºC, obtendo então 100 litros de
gás/m³ de matéria. Em 1884, ao apresentar os trabalhos do seu aluno à
Academia das Ciências, Louis Pasteur considerou que a fermentação
podia construir uma fonte de aquecimento e iluminação [1].
O primeiro documento relatando a coleta de biogás de um
processo de digestão anaeróbia ocorreu em 1885, em uma estação de
tratamento de efluentes municipal da Inglaterra. Em 1941, na Índia,
houve o primeiro estudo de aproveitamento em uma pequena planta,
com uso de estrume e outros materiais. Desde então, o processo
anaeróbio tem evoluído e se expandido ao tratamento de resíduos
industriais, agrícolas e municipais [2].
Nas décadas de 50 e 60, os primeiros países a utilizar os
processos de biodigestão, de forma mais intensa e com finalidade
energética foram China e Índia. Esses e outros países de terceiro mundo
desenvolveram seus próprios modelos de biodigestores [1].
Com a crise do petróleo, foi trazida ao Brasil na década de 70 a
tecnologia da digestão anaeróbia. Na região nordeste, vários programas
de difusão dos biodigestores foram implantados com grande expectativa,
porém os benefícios obtidos a partir do biogás e do biofertilizante não
foram suficientes para dar continuidade aos programas e os resultados
não foram muito satisfatórios [2].
A partir dos anos 70, o gás metano dos digestores anaeróbios
voltou a despertar o interesse geral, havendo um aumento da sua
produção em países europeus [3].
Até há pouco tempo o biogás era tratado como um subproduto,
obtido a partir da decomposição anaeróbia do lixo urbano, resíduos
animais e lamas provenientes de estações de tratamento de efluentes
domésticos. Contudo, a elevação do preço dos combustíveis
convencionais nos últimos anos encorajou as investigações em novas
fontes de energia alternativa e economicamente atrativas, de modo a
criar novas formas de produção energética que possibilitem a redução do
uso de recursos naturais esgotáveis [3].
30
2.2 FORMAÇÃO DO BIOGÁS
O biogás é uma mistura gasosa combustível, produzida através da
digestão anaeróbia, processo fermentativo com a finalidade de remover
a matéria orgânica, formar o biogás e produzir biofertilizantes ricos em
nutrientes [5].
É composto por 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e
5% de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico,
monóxido de carbono, amônia, oxigênio e aminas voláteis. Dependendo
da eficiência do processo, o biogás chega a conter entre 40% e 80% de
metano [1].
Ao ser depositado em aterros, o lixo permanece um período de
tempo descoberto e em contato com o ar atmosférico, até ser
compactado e coberto. Nesse período já se constata a emissão de
compostos voláteis que constituem a massa do resíduo. Esses compostos
continuam a ser emitidos, mesmo após a aplicação do material de
cobertura e o fechamento da célula de aterro [4].
2.2.1 Aspectos Físico-químicos
Tendo em vista que o biogás é formado principalmente por
metano e gás carbônico, é possível restringir as propriedades físico-
químicas somente a esses dois componentes, uma vez que os outros
gases se apresentam em quantidades muito pequenas. Todavia, esses
gases presentes em menores quantidades influenciam na escolha da
tecnologia de operação, combustão e limpeza [5]. A tabela 1 mostra
algumas propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico.
31
Tabela 1 - Propriedades físicas do metano, gás carbônico e gás sulfídrico.
Fonte: [5].
Quando se usa o biogás como combustível, o principal
componente é o metano. O processo de queima é prejudicado quando há
presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de
carbono), o que o torna menos eficiente. Estas substâncias absorvem
parte da energia gerada, pois entram com o combustível no processo de
combustão. Ao se elevar a concentração das impurezas, o poder
calorífico do biogás diminui [1]. Contudo, pesquisas estão sendo
realizadas para tornar o CO2 combustível e atenuar esse problema.
Quando se trata de gases para fins de geração de energia é
fundamental conhecer seu volume, seu poder calorífico e a própria
umidade. O volume do biogás, representado pelo peso específico é um
parâmetro importante quando se deseja manipular o gás para
armazenamento. A umidade, por sua vez, tem influência direta no
processo de combustão, afetando a temperatura de chama, limites de
inflamabilidade, diminuição do poder calorífico e taxa ar-combustível
do biogás. Estudos mostraram que conforme a quantidade de metano no
biogás, seu poder calorífico aumenta, uma vez que o CO2 é a forma mais
oxidada do carbono, não podendo ser queimado [5]. A tabela 2 mostra a
equivalência energética de 1Nm3 de biogás em relação a outros
combustíveis. A unidade Nm³ (Normal metro cúbico) é definida como o
volume de um gás medido nas condições normais de temperatura e
pressão (1 atm e 0° C).
32
Tabela 2 - Equivalência energética de 1Nm3 de biogás em relação a outros
combustíveis.
Fonte: [5].
2.2.2 Fatores que Influenciam a Geração do Biogás
Segundo [6], a capacidade de um aterro gerar biogás vai depender
de diversos fatores, que são:
a) Composição do resíduo – quanto maior a porcentagem de
material orgânico no resíduo, maior será o potencial de
produção de biogás no aterro. Resíduos de alimentos são
exemplos de matéria orgânica facilmente decomposta, o que
acelera a taxa de produção do gás. Materiais que se decompõe
lentamente, como grandes pedaços de madeira, não contribuem
significantemente com a geração de gás;
b) Umidade – depende da umidade inicial do resíduo, da
infiltração da água no solo e da água produzida na
decomposição. Quanto maior o teor de umidade, maior será a
taxa de produção do biogás;
c) Tamanho das partículas – quanto menor a unidade da partícula,
maior será a área da superfície específica e, portanto, a
decomposição será mais rápida se comparada a uma partícula de menor área;
d) Idade do resíduo – a geração do biogás num aterro possui duas
variáveis dependentes do tempo: tempo de atraso (período que
vai da disposição do resíduo até o início da geração do metano)
33
e tempo de conversão (período que vai da deposição do resíduo
até o término da geração do metano);
e) pH – dentro da faixa ótima de pH a produção do metano é
maximizada e fora dessa faixa – um pH abaixo de 6 ou acima
de 8 – a produção de metano fica estritamente limitada;
f) Temperatura – as condições de temperatura de um aterro
influenciam os tipos de bactérias predominantes e o nível de
produção de gás. As máximas temperaturas do aterro
frequentemente são alcançadas dentro de 45 dias após a
disposição dos resíduos, como um resultado da atividade
aeróbia microbiológica. Elevadas temperaturas de gás dentro de
um aterro são o resultado da atividade biológica. As
temperaturas típicas do gás produzido eu um aterro variam,
tipicamente, entre 30 a 60º C;
g) Outros fatores – outros fatores que podem influenciar a taxa de
geração de gás são os nutrientes, bactérias, compactação de
resíduos, dimensões do aterro (área e profundidade), operação
do aterro e processamento de resíduos variáveis.
2.3 COMPARAÇÃO DO BIOGÁS COM OUTROS GASES
A tabela 3 mostra as principais diferenças entre o biogás e os
demais gases combustíveis usuais. Em relação à geração de energia,
apesar de o poder calorífico do biogás ser menor em relação aos outros
gases provenientes do petróleo, não há um custo para se adquirir esse
biogás, pois ele é produzido no próprio aterro.
O potencial energético do biogás está diretamente relacionado à
presença de metano em sua composição: quanto mais metano, mais rico
é o biogás. A proporção de metano é, em média, de 50%, quando
originário de aterros sanitários e de até 70% quando é gerada em
reatores anaeróbios de efluentes. Porém, apresenta menor poder
calorífico comparado ao gás natural (até 95% de metano) [23].
34
Tabela 3 - Comparação entre os principais gases.
Fonte: [1].
35
CAPÍTULO 3: RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS E ATERROS
SANITÁRIOS
3.1 DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÕES DOS RESÍDUOS SÓLIDOS
URBANOS
Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT),
NBR 10004, os resíduos sólidos são definidos da seguinte forma:
“Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades
de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de
serviços e de varrição.”
3.1.1 Classificação quanto aos riscos potenciais ao meio ambiente
Segundo a NBR 10004, os resíduos sólidos são classificados
como:
Classe I – perigosos: são aqueles que apresentam periculosidade e
possuem alguma das seguintes propriedades: inflamabilidade,
corrosividade, reatividade, toxicidade e patogenicidade;
Classe II – não perigosos: esta classe está subdividida em dois
grupos:
Classe II A – não inertes: são aqueles que não se enquadram nas
classificações de resíduos classe I e classe II B. Podem ter propriedades
como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água;
Classe II B – inertes: são resíduos que não apresentam nenhum de
seus constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões
de potabilidade de água, excetuando-se aspecto, cor, turbidez, dureza e
sabor.
3.1.2 Classificação quanto à natureza ou origem
Segundo o Instituto Brasileiro de Administração Municipal
(IBAM), o lixo também pode ser classificado como:
Lixo doméstico ou residencial: são os resíduos gerados nas
casas, apartamentos, condomínios e demais edificações residenciais;
Lixo comercial: são resíduos provenientes de estabelecimentos
comerciais, cujas características dependem da atividade ali
desenvolvida. O lixo comercial pode ser dividido em dois
subgrupos: pequeno gerador de resíduos comerciais, o qual gera
36
até 120 litros de lixo por dia e grande gerador de resíduos
comerciais, que gera um volume de resíduos superior a esse
limite;
Lixo público: são resíduos presentes em locais públicos,
resultantes da natureza, tais como folhas, poeira, terra e areia e
também aqueles descartados pela população, como entulhos,
restos de embalagens e papéis;
Lixo domiciliar especial: são entulhos de obras, pilhas e
baterias, lâmpadas fluorescentes e pneus;
Lixo industrial: são resíduos gerados por atividades industriais.
Apresentam características variadas, visto que estas dependem
do tipo de produto manufaturado;
Lixo radioativo: resíduos que emitem radiações acima dos
limites permitidos pelas normas ambientais. No Brasil, a
Comissão Nacional de Energia Nuclear está encarregada do
manuseio, acondicionamento e disposição final do lixo
radioativo;
Lixo de portos, aeroportos e terminais rodoferroviários: são
resíduos gerados em terminais, navios, aviões e veículos de
transporte. Esse tipo de lixo pode conter doenças provenientes
de outras cidades, estados ou países;
Lixo agrícola: resíduos formados por restos de embalagens
contendo pesticidas e fertilizantes químicos, utilizados na
agricultura. A ausência de fiscalização e de punições mais
rígidas para o manuseio impróprio destes resíduos faz com que
sejam misturados aos resíduos comuns, ou queimados, gerando
gases tóxicos;
Resíduos de serviços de saúde: são todos os resíduos originários
das instituições destinadas à preservação da saúde da
população. Esses resíduos podem conter agentes patogênicos e
são compostos por microorganismos, vacinas vencidas ou
inutilizadas, sangue, tecidos, agulhas, animais usados em testes,
secreções procedentes de pacientes, materiais radioativos ou
tóxicos, etc. O armazenamento desses resíduos deve se dar em
contêineres devidamente identificados. Os resíduos infectantes
devem ser tratados por sistemas que garantam sua esterilização.
Do ponto de vista de geração de energia elétrica, os tipos de
resíduos que podem ser usados são: lixo doméstico ou residencial, lixo
37
comercial e o lixo público, sendo que somente a parte orgânica é útil
para esse fim.
3.2 OS ATERROS SANITÁRIOS
De acordo com [22], existem três tipos de locais onde são
depositados os resíduos sólidos urbanos:
Lixões: são grandes áreas reservadas somente para receber lixo.
Não há planejamento algum para tratamento dos efluentes,
como o chorume, portanto há contaminação do solo e do lençol
freático. Nesses locais podem ser encontrados ratos e insetos;
Aterros controlados: O lixo é coberto com terra diariamente a
fim de evitar mau cheiro e proliferação de insetos e animais.
Todavia, os aterros controlados não evitam a contaminação do
solo e lençol freático;
Aterros sanitários: com o intuito de impedir o vazamento de
chorume para o subsolo, o lixo é depositado em local
impermeabilizado por uma base de argila e lona plástica.
Nesses locais, o metano é captado por tubulações, podendo ser
usado na geração de energia.
3.2.1 Riscos ambientais dos lixões
Os resíduos lançados a céu aberto ocasionam problemas de saúde
pública, como multiplicação de vetores de doenças (mosquitos, moscas,
baratas, ratos, etc.), formação de maus odores e poluição do solo e das
águas subterrâneas e superficiais por meio do chorume. A contaminação
do lençol freático pode contaminar poços, propagando surtos
epidêmicos [8].
Segundo [9], os principais gases prejudiciais ao meio ambiente
emitidos pelos lixões são:
a) Dióxido de carbono: é a principal forma gasosa do carbono,
produzido na biodegradação aeróbica e anaeróbica da matéria
orgânica. O biogás contém concentrações de CO2 que variam de
35 a 45%. É um gás que pode ser classificado como tóxico, pois
se torna gravemente perigoso quando apresenta concentração no ar acima de 5%;
b) Metano: gás produzido na biodegradação anaeróbia da matéria
orgânica. Suas concentrações no gás de aterro variam de 35 a
60%. O metano tem maior potencial de aquecimento global
comparado ao CO2, sendo de 21 a 27 vezes mais poluente. Há
38
risco de incêndio e explosões em locais próximos aos lixões em
razão das altas concentrações de metano presentes no biogás. O
limite de concentração desse gás em locais fechados é de 1%;
c) Hidrogênio: é produzido por bactérias acetogênicas e
fermentativas. Esse gás é altamente inflamável, apesar de não
venenoso. As bactérias metanogênicas consomem o H2
lentamente, desse modo há um acúmulo de hidrogênio, podendo
ultrapassar a concentração de 4%, que é o limite de
explosividade;
d) Compostos orgânicos não-metanogênicos (NMOC): são
subprodutos dos processos químicos e biológicos decorrentes
da massa dos resíduos e constituem-se dos compostos oxidados
do carbono como: acetona, álcool, ácidos orgânicos, furanos e
compostos sulforados. Esses gases constituem 1% do volume
do biogás.
3.2.2 Métodos de aterramento dos resíduos
Segundo [1], existem três métodos de aterramento dos resíduos:
a) Método da trincheira ou vala: valas são abertas no solo, onde o
lixo é disposto, compactado e em seguida coberto com solo,
como mostra a figura 2. As valas podem ser de pequena ou
grande dimensão;
b) Método de rampa ou escavação progressiva: os resíduos são
dispostos em um desnível e compactados por um trator de
esteiras e posteriormente coberto com solo. É empregado,
geralmente, em áreas de meia encosta, onde o solo possa ser
escavado e usado como material de cobertura. Esse esquema é
mostrado na figura 3.
c) Método de área: aplicado em locais com topografia plana e
lençol freático raso. Os resíduos são acumulados e compactados
e cobertos com terra. A figura 4 ilustra o esquema.
39
Figura 2 - Método da trincheira.
Fonte: [1].
Figura 3 - Método de rampa.
Fonte: [1].
40
Figura 4 - Método de área.
Fonte: [1].
3.2.3 Sistemas de captação do biogás
Existem duas maneiras de se captar o biogás bruto dos aterros:
por poço vertical ou poço horizontal. O poço vertical é feito de acordo
com os itens de construção dos aterros. O poço horizontal é usado para
corrigir problemas de drenagem do chorume em aterros já formados
[10]. O sistema de captação do biogás é mostrado na figura 5.
41
Figura 5 - Poço vertical.
Fonte: [10].
Segundo [10], a implantação do captador é feita da seguinte
forma:
É necessário escavar até a profundidade média de 2,50 metros, o
leito da cova deve ser impermeabilizado com lona plástica para evitar a
ascensão do chorume e entupimento dos captadores. Depositar uma
camada de aproximadamente 0,50 metros de brita número 3 sobre a
tubulação dos captadores, sendo estes em tubos de PVC perfurados, com
110 mm de diâmetro. Colocar mais uma camada de brita número 3, de
0,50 metros. Realizar a impermeabilização superior com uma lona de
plástico seguida de uma camada de 0,15 metros de argila. Depositar uma
camada de sacaria com 0,40 metros e envolver o restante com argila
compactada.
Há vários modos de se conectar os poços ao sistema de utilização.
Os poços podem ser ligados a um tubo principal que percorre o aterro.
Porém, nesse sistema a regulagem da quantidade e qualidade do biogás
se torna um processo complexo. Além disso, como todos os tubos estão
ligados a um grande sistema, seria difícil localizar um possível
vazamento. Se houver um tubo para cada poço ligado a uma bomba e uma casa de regulagem, a operação se tornaria mais econômica, segura e
com melhores condições para os trabalhadores [1].
Um compressor faz a sucção do gás dos poços e o comprime
antes de entrar no sistema de recuperação energética. O número de
compressores necessários, assim como o tamanho e o tipo são
42
determinados pela taxa de fluxo de gás e do nível de compressão
desejado, que é determinado pelo equipamento de conversão energética
[1].
Ao passar pela tubulação o biogás resfria e forma-se um
condensado, o qual deve ser retirado para não bloquear o sistema de
coleta. Conectores e tubos inclinados são colocados no sistema de coleta
possibilitando a drenagem do condensado em tanques. Dependendo das
características do condensado este pode ser disposto no sistema público
de esgoto, sistema de tratamento local ou ser colocado em recirculação
no aterro sanitário [11].
3.2.4 Sistema de queima do biogás
De acordo com [11], um flare é um dispositivo usado na ignição e
queima do biogás. São utilizados nas etapas de início e manutenção do
sistema. É usado também para queimar o excesso de gás antes da adição
de um novo motor.
Existem flares abertos, ou vela (figura 6), e enclausurados (Figura
7). Estes são mais caros, mas podem ser preferíveis, pois proporcionam
testes de concentração e podem obter eficiências de combustão altas.
Além do mais, flares enclausurados podem reduzir os incômodos de
ruído e iluminação [11].
Figura 6 - Flare aberto.
Fonte: [21].
43
Figura 7 - Flare enclausurado.
Fonte: [1].
3.2.5 Sistema de tratamento do biogás
Antes da utilização do biogás no processo de conversão de
energia, este é tratado para a remoção de partículas e impurezas em
geral ou algum condensado não coletado. Se o biogás for utilizado em
caldeiras, um tratamento mínimo é requerido. Já em gasodutos é
fundamental um tratamento amplo para remover o CO2. Caso o objetivo
seja geração de energia, podem ser usados filtros para a remoção de
impurezas, uma vez que estas podem prejudicar os componentes do
motor ou da turbina, provocando a redução da eficiência do sistema [1].
44
45
CAPÍTULO 4: TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO DO BIOGÁS
Segundo [5], há diversas tecnologias de conversão energética do
GDL (gás do lixo). Nesse processo, a energia química das moléculas do
biogás é convertida em energia mecânica por um sistema de combustão
controlada. Assim, um gerador é ativado por essa energia mecânica
transformando-a em energia elétrica. O biogás também pode ser
utilizado na queima em caldeiras para cogeração.
As tecnologias mais utilizadas são as microturbinas a gás e os
motores de combustão interna de ciclo Otto. Porém, o motor mais
apropriado para geração de energia é o motor de ciclo Diesel, pela sua
maior robustez e menor custo para uma mesma potência, comparado ao
de ciclo Otto [2].
4.1 TURBINAS A GÁS
As turbinas a gás (figura 8) são compostas de um compressor de
ar, câmara de combustão e turbina. Existem turbinas a gás com
potências que variam de poucas centenas de kW até quase 300 MW [3].
Figura 8 - Turbina a gás.
Fonte: [3].
4.1.1 Turbinas de ciclo Brayton
O ciclo Brayton é um método cada vez mais usado na geração de
energia. Existem dois esquemas de turbinas ciclo Brayton que são: ciclo
aberto e ciclo fechado, sendo o primeiro o mais comum [1].
46
4.1.1.1 Ciclo aberto
No ciclo aberto, mostrado na figura 9, a câmara de combustão
recebe o ar comprimido, que fornece oxigênio para a queima do
combustível. Os gases decorrentes da combustão, a altas temperaturas,
expandem-se na turbina e produzem energia mecânica para acionar o
compressor e o gerador de energia elétrica [5].
4.1.1.2 Ciclo fechado
Os processos de compressão e expansão também se aplicam ao
ciclo fechado, todavia sistemas de troca de calor, onde os gases sofrem
resfriamento, substituem o processo de combustão, de modo a aproveitar
parte da energia que seria perdida em forma de calor [12]. Logo, essa
configuração possui melhor aproveitamento do calor e a possibilidade
de operação em altas pressões [1]. Esse ciclo é ilustrado na figura 10.
Figura 9 - Ciclo de Brayton aberto.
Fonte: [12].
47
Figura 10 - Ciclo de Brayton fechado.
Fonte: [12].
4.1.2 Microturbinas
As microturbinas são pequenas turbinas de combustão que
operam na faixa de 20 a 250 kW, com alta velocidade de rotação.
Trabalham com vários tipos de combustível, como gás natural, biogás,
GLP (gás liquefeito de petróleo), gás de poços de petróleo e plataformas
offshore, diesel/gas oil e querosene [5]. Funcionam da mesma maneira
que as turbinas a gás de circuito aberto, podendo ser útil para geração de
eletricidade em pequena escala. Apresentam confiabilidade elevada, é
compacta, simples de se projetar, fácil instalação e manuseio [1].
Suas primeiras aplicações foram em transporte como turbinas de
avião e motores de ônibus e, posteriormente, foram usadas em sistemas
de geração de energia e cogeração [1]. Um esquema de uma
microturbina é mostrado na figura 11.
48
Figura 11 - Interior de uma microturbina.
Fonte: [3].
4.2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
O motor de combustão interna gera trabalho mecânico,
convertendo movimento retilíneo de um pistão dentro de um cilindro,
em movimento circular, através do virabrequim. Esse movimento é
procedente da liberação da energia térmica adquirida na conversão
físico/química de um combustível e do aproveitamento da expansão dos
gases para movimentar o pistão. O processo de conversão de
movimentos é muito prático e demonstra alta durabilidade, sendo assim
um mecanismo amplamente utilizado [13].
Em 1867, o motor de ciclo Otto, usado em transportes até nos dia
de hoje, foi desenvolvido pelo engenheiro alemão Nikolaus August
Otto. Outro engenheiro alemão, Rudolph Diesel, desenvolveu o motor a
diesel em 1892. O motor de ciclo diesel usa óleo como combustível e é
projetado para ser mais potente e mais pesado do que os motores a
gasolina. É usado em máquinas pesadas como locomotivas, navios e em
alguns automóveis [5]. A diferença entre os dois ciclos é o processo de
adição de calor, enquanto no Otto ocorre a volume constante (isocórico)
no diesel ocorre à pressão constante (isobárico) [1].
4.2.1 Ciclo Otto
49
Segundo [14] os motores de ciclo Otto utilizam combustíveis
leves, tais como gasolina, álcool e gás natural. A figura 12 mostra as
etapas de funcionamento desses motores.
Figura 12 - Etapas de funcionamento de um motor ciclo Otto.
Fonte: [14].
De acordo com [14], seguindo a figura 12 temos que:
Em 01, a válvula de admissão se abre e a mistura de ar e
combustível é aspirada pelo movimento do pistão. Esse é um
processo aproximadamente isobárico;
Em 12, o pistão atinge a sua posição mais inferior e a válvula de
admissão é fechada. A seguir o pistão se movimenta para cima
e comprime a mistura. Esse procedimento é aproximadamente
adiabático, pois há pouco tempo para a troca de calor devido à
alta velocidade do pistão;
Em 23, o pistão atinge sua posição mais superior e uma
centelha na vela provoca a ignição da mistura. Portanto, a
reação de combustão fornece calor ao sistema. Pode-se
considerar que esse processo ocorre sob volume constante por
ser muito rápido;
Em 34, o pistão é forçado para baixo pela expansão da mistura
devido à elevação de pressão provocada pelo fornecimento de
calor. A transformação pode ser suposta adiabática pela mesma
razão de 12;
50
Em 41, o pistão atinge a posição mais inferior, a válvula de
escape é aberta e a pressão do gás se reduz rapidamente. Assim
como em 23, pode-se supor um processo com volume
constante, onde o ciclo transfere calor ao ambiente;
Em 10, a maior parte dos gases da combustão é removida
devido ao movimento ascendente do pistão com a válvula de
escape aberta e o ciclo é reiniciado.
A partir do esquema de operação ilustrado na figura 12, pode-se
elaborar um diagrama pressão x volume, mostrado na figura 13. Na
análise termodinâmica do ciclo ideal não é comum considerar as etapas
de admissão e exaustão dos gases (01 e 10 respectivamente). Desse
modo, o ciclo se limita à região 1234 do diagrama. As etapas 12 e 34
são adiabáticas. As trocas de calor ocorrem em 23, quando o calor é
fornecido ao sistema, e em 41, quando o calor é cedido ao ambiente,
ambos à volume constante.
Figura 13 - Relação pressão x volume do ciclo Otto.
Fonte: [14].
4.2.2 Ciclo Diesel
Os motores de ciclo diesel operam de forma semelhante aos
motores de ciclo Otto. A figura 14 mostra as etapas de funcionamento desses motores.
51
Figura 14 - Etapas de funcionamento de um motor ciclo Diesel.
Fonte: [15].
De acordo com [15], seguindo a figura 14 temos que:
Em 01, o pistão desce e somente ar é aspirado num processo
isobárico;
Em 12, o ar é comprimido de forma adiabática devido à alta
velocidade do pistão;
Em 23, o pistão está no ponto mais superior e o combustível é
injetado na massa de ar aquecido e comprimido. Nessas
condições ocorre a queima do combustível sem necessidade de
centelha. Como o processo se dá durante um pequeno intervalo
de tempo pode-se dizer que é aproximadamente isobárico;
Em 34, os gases aquecidos são expandidos de modo adiabático;
Em 41, a válvula de escape é aberta e há redução de pressão e
troca de calor com volume constante;
Em 10 ocorre a exaustão dos gases com pressão constante.
Pode-se afirmar, portanto, que nos motores Otto a ignição se dá
por centelha e nos motores Diesel ocorre por compressão. Desse modo,
o motor Diesel têm taxas de compressão significativamente maiores
[15].
Segundo o esquema de operação mostrado na figura 14, é
possível traçar um diagrama pressão x volume, ilustrado na figura 15.
De forma semelhante ao diagrama de ciclo Otto, não se considera as
52
etapas de admissão e exaustão dos gases (01 e 10 respectivamente).
Assim, o ciclo se limita à região 1234 do diagrama. As etapas 12 e 34
são adiabáticas. Na etapa 23, há fornecimento de calor e realização de
trabalho (volume não é constante). A etapa 41 é semelhante ao ciclo
Otto, onde o calor é cedido ao ambiente à volume constante.
Figura 15 - Relação pressão x volume do ciclo Diesel.
Fonte: [15].
4.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO
Tabela 4 - Características das tecnologias de conversão comerciais.
Fonte: [16].
De acordo com a tabela 4, os motores apresentam maior
eficiência que as turbinas, porém com maiores emissões de NOx, gás
que contribui para o efeito estufa. Segundo [16], quando operadas em
cogeração (calor e eletricidade), as turbinas a gás possuem maior
eficiência global de conversão.
Há também a possibilidade de se converter motores ciclo Diesel
em ciclo Otto, através da substituição dos bicos injetores por velas de
ignição, entre outras modificações. Essas alterações têm como vantagem
aproveitar a alta taxa de compressão dos motores a Diesel para
53
compensar o baixo poder calorífico do biogás [3]. Assim, o motor se
torna mais eficiente, porém tem a desvantagem de ter um custo elevado
para realizar a conversão.
54
55
CAPÍTULO 5: ESTUDO DE CASO
O estudo de caso será feito em um aterro sanitário hipotético,
semelhante ao de Tijuquinhas, visto que a vida útil desse aterro está
prevista para encerrar em 2013. Localizado na cidade de Biguaçu,
Grande Florianópolis, Santa Catarina, o aterro de Tijuquinhas é
considerado uma das mais seguras centrais de gerenciamento de
resíduos do estado e atende 25 municípios da região. Nessa central são
recebidos e tratados resíduos provenientes da saúde, além de contar com
um depósito para resíduos perigosos e industriais [24].
O aterro de Tijuquinhas possui um projeto de captação e
tratamento do biogás, financiado pela venda dos créditos de carbono
obtidos no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), introduzido
pelo Protocolo de Kyoto. Esse projeto recebeu a aprovação nacional da
Comissão Interministerial de Mudança Global do Clima (CIMGC) e das
Nações Unidas pela sua contribuição ao desenvolvimento sustentável do
Brasil e a luta contra o aquecimento global e a mudança climática [24].
5.1 DADOS DO ATERRO DE TIJUQUINHAS
O aterro começou a operar em 1991 com provável fechamento no
ano de 2013, portanto tem uma vida útil de 22 anos. Também apresenta
todos os elementos necessários a um aterro sanitário: impermeabilização
de base, drenagem e tratamento do lixiviado, drenagem passiva e ativa e
tratamento dos gases (realizado através da queima), drenagem de águas
pluviais, compactação e cobertura diária dos resíduos. É realizado um
monitoramento das águas superficiais e subterrâneas, do solo, do ar e
dos efluentes [18].
O aterro de Tijuquinhas cobre uma área de 200.000 m² e é
dividido em três zonas distintas como mostra a figura 16. As zonas 1 e 2
já foram completamente preenchidas com lixo, somando desde 1991 até
2006 aproximadamente 2 milhões de toneladas de resíduos. Acima das
zonas 1 e 2 foi colocada uma manta impermeável. Atualmente a zona 3,
que está sobreposta às zonas antigas, recebe os resíduos [25].
56
Figura 16 - Esquema do aterro de Tijuquinhas.
Fonte: [25].
De 1991 até 2006 foi registrada a quantidade de lixo depositada
no aterro de Tijuquinhas anualmente. De 2007 até 2013 foi feita uma
previsão do número de resíduos que o aterro receberia por ano. Esses
valores estão registrados na tabela 5. No estudo de caso será considerado
que o aterro foi inaugurado em 2013. Logo, a quantidade de lixo do ano
de 1991 será referente ao ano de 2013.
Tabela 5 - Lixo sólido municipal depositado no aterro de Tijuquinhas durante a
sua vida útil.
Fonte: [25].
57
5.2 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE METANO
Segundo [25], para determinar o potencial de geração de metano
dos resíduos a equação 1 é usada.
(1)
Onde:
L0: potencial de geração de metano do resíduo (t CH4/t lixo);
MCF: fator de correção do metano (%);
DOCCH4: carbono orgânico degradável no lixo (t CH4/t lixo);
F: fração de metano no biogás;
16: massa molar do metano;
12: massa molar do carbono.
O fator de correção do metano é definido segundo a tabela 6.
Tabela 6 - Fator de correção do metano.
Fonte: [25].
Considerando o aterro de Tijuquinhas como bem administrado
pode-se usar um fator de correção igual a 1.
O carbono orgânico degradável (DOC) depende da composição
do lixo e da umidade. Foi elaborada em Florianópolis uma
caracterização do lixo, incluindo o teor de umidade para vários tipos de
resíduos [25]. Os resultados são mostrados na tabela 7.
58
Tabela 7 - Carbono orgânico degradável no metano para os principais tipos de
lixo.
Fonte: [25].
Conhecendo-se a composição percentual de cada tipo de lixo,
pode-se estimar a média ponderada do carbono orgânico degradável
usando a equação 2. (2)
Onde:
A: percentual de papéis têxteis no lixo;
B: lixo de jardim e parque, outros lixos orgânicos não alimentar e
lixo alimentar.
Substituindo os valores da tabela 8 na equação 2, temos que o
DOCCH4 para o lixo urbano é 0,1144 e para o lixo rural e semi-urbano é
0,1068. O valor de DOCCH4 mais conveniente a se usar é o do lixo
urbano no cálculo do potencial de geração de metano.
Tabela 8 - Composição do lixo na área metropolitana de Florianópolis.
Fonte: [25].
A fração de metano no biogás (F) é presumida como 55% [25].
Substituindo na equação 1 os valores definidos anteriormente
temos: L0 = 1*0,1144*0,55*(16/12)
L0 = 0,08389 t CH4/t lixo
Considerando a densidade do metano como 0,0007168t/m3
pode-
se converter o valor de L0 em volume de metano por tonelada de lixo:
59
5.3 ESTIMATIVA DE GERAÇÃO DE METANO
Para se determinar de modo detalhado a geração de metano por
ano (m3CH4/ano) é necessário usar um método que leve em
consideração a geração de biogás ao longo dos anos. Para isso será
usada uma constante de decaimento (k), que depende de fatores como
disponibilidade de nutrientes, pH, temperatura e umidade. A tabela 9
mostra os valores sugeridos para k.
Tabela 9 - Valores sugeridos para k.
Fonte: [18].
Devido ao alto índice de precipitação de Biguaçu, de
aproximadamente 1500 mm por ano [25], será usado o valor de 0,09
ano-1
para k.
De acordo com [18] há duas etapas para se calcular o metano
gerado no aterro:
-durante a vida útil: (3)
-após o fechamento do aterro: (4)
Onde:
Q = metano gerado [m3/ano];
R = quantidade média de resíduos depositados durante a vida útil
do aterro [t RSD/ano];
L0 = potencial de geração de biogás [m3 de biogás/t RSD];
k = constante de decaimento [ano-1
];
c = tempo decorrido desde o fechamento do aterro [anos];
60
t = tempo decorrido desde a abertura do aterro [anos].
Substituindo nas equações 3 e 4 os valores definidos
anteriormente para L0 e k, e usando R de acordo com a tabela 5,
obtemos a tabela 10. Como o aterro será descontinuado em 2013, os
valores de quantidade de lixo do ano de 1991 até 2013 foram transpostos
para os anos de 2013 até 2035.
Tabela 10 - Estimativa de produção de metano.
Ano
Produção de
metano
(m³CH4/ano)
2013 162.970,71
2014 773.704,27
2015 1.382.684,50
2016 1.964.814,95
2017 2.585.778,04
2018 3.243.675,63
2019 3.923.547,65
2020 4.679.178,22
2021 5.411.723,44
2022 6.186.957,28
2023 6.899.527,69
2024 7.818.331,15
2025 8.718.616,84
2026 9.541.128,82
2027 10.573.758,49
2028 11.556.291,36
2029 12.492.685,00
2030 13.386.599,48
2031 14.241.425,48
2032 15.060.309,55
2033 15.846.162,78
2034 16.601.683,57
61
2035 17.329.378,23
2036 15.837.859,18
2037 14.474.713,42
2038 13.228.891,99
2039 12.090.296,93
2040 11.049.699,41
2041 10.098.664,88
2042 9.229.484,76
2043 8.435.113,95
2044 7.709.113,69
2045 7.045.599,41 Fonte: desenvolvido pelo autor.
Com os dados da tabela 10 foi construído o gráfico 1. Pode-se
observar nesse gráfico o decaimento da produção de metano a partir do
fim da vida útil do aterro em 2035.
Gráfico 1 - Estimativa de produção de metano.
Fonte: desenvolvido pelo autor.
02000000400000060000008000000
100000001200000014000000160000001800000020000000
20
13
20
15
20
17
20
19
20
21
20
23
20
25
20
27
20
29
20
31
20
33
20
35
20
37
20
39
20
41
20
43
20
45
m³
de C
H4 /
an
o
Anos
Estimativa de produção de metano
62
5.4 ESTIMATIVA DE POTÊNCIA E ENERGIA DISPONÍVEIS NO
ATERRO
Para determinar a potência disponível será usada a equação 5
[26].
(5)
Onde:
P = potência disponível (MW);
Q = vazão de metano a cada ano (m³CH4/h);
PCI = Poder Calorífico Inferior do metano (pode-se adotar 5.500
kcal/m3CH4);
η = eficiência de motores (geralmente é 28% = 0,28);
860000 = conversão de kcal para MWh.
A energia disponível é calculada pela equação 6 [26], supondo
que o motor opere 24 horas por dia. (6)
Onde:
E = energia disponível (MWh/dia);
P = potência disponível (MW);
Rend = rendimento de motores operando a plena carga (estimado
em 87% = 0,87);
Tempo de operação do motor = 24 horas/dia.
Na tabela 11 são mostrados os resultados dos cálculos da potência
e energia disponíveis no aterro. Os gráficos 2 e 3 mostram,
respectivamente, os comportamentos das curvas de potência e energia.
Tabela 11 - Potência e energia disponíveis no aterro.
Ano
Produção de
metano
(m³CH4/ano)
Produção de
metano
(m³CH4/h)
Potência
disponível
(MW)
Energia
disponível
(MWh/dia)
2013 162.970,71 18,60 0,03 0,70
2014 773.704,27 88,32 0,16 3,30
2015 1.382.684,50 157,84 0,28 5,90
2016 1.964.814,95 224,29 0,40 8,39
2017 2.585.778,04 295,18 0,53 11,04
2018 3.243.675,63 370,28 0,66 13,84
63
2019 3.923.547,65 447,89 0,80 16,75
2020 4.679.178,22 534,15 0,96 19,97
2021 5.411.723,44 617,78 1,11 23,10
2022 6.186.957,28 706,27 1,26 26,41
2023 6.899.527,69 787,62 1,41 29,45
2024 7.818.331,15 892,50 1,60 33,37
2025 8.718.616,84 995,28 1,78 37,21
2026 9.541.128,82 1089,17 1,95 40,72
2027 10.573.758,49 1207,05 2,16 45,13
2028 11.556.291,36 1319,21 2,36 49,33
2029 12.492.685,00 1426,11 2,55 53,32
2030 13.386.599,48 1528,15 2,74 57,14
2031 14.241.425,48 1625,73 2,91 60,79
2032 15.060.309,55 1719,21 3,08 64,28
2033 15.846.162,78 1808,92 3,24 67,64
2034 16.601.683,57 1895,17 3,39 70,86
2035 17.329.378,23 1978,24 3,54 73,97
2036 15.837.859,18 1807,97 3,24 67,60
2037 14.474.713,42 1652,36 2,96 61,78
2038 13.228.891,99 1510,15 2,70 56,46
2039 12.090.296,93 1380,17 2,47 51,60
2040 11.049.699,41 1261,38 2,26 47,16
2041 10.098.664,88 1152,82 2,06 43,10
2042 9.229.484,76 1053,59 1,89 39,39
2043 8.435.113,95 962,91 1,72 36,00
2044 7.709.113,69 880,04 1,58 32,90
2045 7.045.599,41 804,29 1,44 30,07 Fonte: desenvolvido pelo autor.
64
Gráfico 2 - Curva da potência.
Fonte: desenvolvido pelo autor.
Gráfico 3 - Curva da energia.
Fonte: desenvolvido pelo autor.
5.5 SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA
Para fins de geração de energia será usado o grupo gerador
GMWM120, da empresa ER-BR – Energias Renováveis Ltda. Esse
gerador é composto por um motor ciclo Diesel adaptado para funcionar
a biogás, com potência nominal de 108 kVA e potência efetiva de
0,00
1,00
2,00
3,00
4,001
99
1
19
93
19
95
19
97
19
99
20
01
20
03
20
05
20
07
20
09
20
11
20
13
20
15
20
17
20
19
20
21
20
23
Po
tên
cia
(MW
)
Anos
Potência (MW)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
19
91
19
93
19
95
19
97
19
99
20
01
20
03
20
05
20
07
20
09
20
11
20
13
20
15
20
17
20
19
20
21
20
23
Ene
rgia
(M
Wh
/dia
)
Anos
Energia (MWh/dia)
65
87kW. De acordo com [31] esse tipo de motor possui vida útil de
aproximadamente 100.000 horas.
Segundo [1], pode-se estimar a vazão de biogás necessária para
alimentar o gerador a partir da equação 7.
(7)
Onde:
% metano: 55%
Poder Calorífico Inferior: 5500 kcal/m³
PotGERADA: 87 kW
860: conversão kcal – Kw
η: rendimento, considerado 0,28.
Substituindo os valores temos: QBIOGÁS=88,34m³/h
Considerando a concentração de metano no biogás como 55%,
temos que o gerador irá consumir aproximadamente 48,58 m³CH4/h. O
excedente de metano será queimado em flare. De acordo com [17] a
eficácia do sistema de captação do metano é de 75%, sendo o restante
emitido diretamente à atmosfera. A tabela 12 mostra a quantidade de
metano captada no aterro, consumida no gerador e queimada no flare a
partir do ano de 2014.
Tabela 12 - Captação, consumo e queima do metano.
Ano
Captação de
metano
(m³CH4/ano)
Consumo de
metano pelo
gerador
(m³CH4/ano)
Metano para
queima em
flare
(m³CH4/ano)
2014 580.278,20 425.599,48 154.678,72
2015 1.037.013,37 425.599,48 611.413,89
2016 1.473.611,22 425.599,48 1.048.011,73
2017 1.939.333,53 425.599,48 1.513.734,05
2018 2.432.756,72 425.599,48 2.007.157,24
2019 2.942.660,74 425.599,48 2.517.061,26
2020 3.509.383,66 425.599,48 3.083.784,18
2021 4.058.792,58 425.599,48 3.633.193,10
2022 4.640.217,96 425.599,48 4.214.618,48
2023 5.174.645,77 425.599,48 4.749.046,29
2024 5.863.748,36 425.599,48 5.438.148,88
66
2025 6.538.962,63 425.599,48 6.113.363,15
2026 7.155.846,61 425.599,48 6.730.247,13
2027 7.930.318,87 425.599,48 7.504.719,39
2028 8.667.218,52 425.599,48 8.241.619,04
2029 9.369.513,75 425.599,48 8.943.914,27
2030 10.039.949,61 425.599,48 9.614.350,13
2031 10.681.069,11 425.599,48 10.255.469,63
2032 11.295.232,17 425.599,48 10.869.632,68
2033 11.884.622,08 425.599,48 11.459.022,60
2034 12.451.262,68 425.599,48 12.025.663,20
2035 12.997.033,67 425.599,48 12.571.434,19
2036 11.878.394,39 425.599,48 11.452.794,91
2037 10.856.035,06 425.599,48 10.430.435,58
2038 9.921.668,99 425.599,48 9.496.069,51
2039 9.067.722,70 425.599,48 8.642.123,22
2040 8.287.274,56 425.599,48 7.861.675,08
2041 7.573.998,66 425.599,48 7.148.399,18
2042 6.922.113,57 425.599,48 6.496.514,09
2043 6.326.335,46 425.599,48 5.900.735,98
2044 5.781.835,27 425.599,48 5.356.235,78
2045 5.284.199,56 425.599,48 4.858.600,08 Fonte: desenvolvido pelo autor.
Toda energia gerada será consumida no próprio aterro e o
excedente será vendido à concessionária Celesc. Considerando que o
gerador gera energia 24h por dia com potência de 87 kW, tem-se que o
total de energia gerada será 62,64 MWh por mês e 762,12 MWh por
ano.
O consumo de energia elétrica no aterro de Tijuquinhas foi
arbitrado como mostra a tabela 13.
67
Tabela 13 - Consumo de energia no aterro.
Local Equipamento Potência
(W)
Uso
(h/dia) Unidades
Escritório
Lâmpadas Fluorescentes 20 10 2
Ar condicionado SPLIT 2000 10 1
Computador 300 10 1
Refeitório
Lâmpadas Fluorescentes 20 2 4
Ar condicionado SPLIT 2000 2 1
Torneira Elétrica 2500 1 2
Vestiário
Lâmpadas Fluorescentes 20 1 4
Torneira Elétrica 2500 1 3
Chuveiro Elétrico 3200 2 3
Cozinha
Lâmpadas Fluorescentes 20 10 2
Geladeira 250 4 1
Microondas 2000 1 1
Torneira Elétrica 2500 1 2
Fonte: desenvolvido pelo autor.
O total de energia elétrica consumida é de 2,03 MWh/mês ou
24,36 MWh/ano. Portanto, subtraindo a energia consumida por ano da
energia gerada por ano, tem-se que o excedente é de 737,76 MWh/ano,
o qual pode ser vendido.
5.6 ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA
Para fazer a análise de viabilidade econômica é necessário definir
os custos de implementação e calcular as receitas obtidas pela venda de
créditos de carbono e venda de energia. Com os dados das receitas e
despesas é possível utilizar vários métodos de análise de investimentos a
fim de determinar se o projeto é viável, tais como valor presente líquido,
taxa interna de retorno, payback e relação custo-benefício. Com apenas
um desses métodos já é possível avaliar a viabilidade econômica do
projeto, porém nesse trabalho serão calculados todos os mecanismos
citados.
5.6.1 Custos de implementação
68
Segundo o engenheiro eletricista Anderson Curvello da empresa
Motormac, o preço de um grupo gerador a biogás varia de R$ 1400,00 a
R$ 1800,00 por kW instalado. Nesse projeto será usado o menor valor
por questão de economia, portanto o preço do grupo gerador será de R$
121.800,00.
Haverá também investimentos em um sistema de coleta de gás e
em uma instalação de extração e queima do biogás. De acordo com [25],
o sistema de coleta de gás terá custo de US$ 1.540.300,00 e o sistema de
abstração e queima US$ 643.000,00.
Os custos anuais de operação e manutenção (O&M) variam em
média de 7 a 10% do investimento, conforme mencionado em [27].
Nesse projeto será considerado 7%.
A tabela 14 mostra o investimento e o custo de operação e
manutenção, considerando a taxa cambial como US$1,00 = R$ 2,20.
Tabela 14 - Custos de investimento e O&M.
INVESTIMENTO
Grupo gerador $55.363,64
Sistema de coleta de gás $1.540.300,00
Sistema de extração e queima $643.000,00
Total $2.238.663,64
OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
7% do investimento $156.706,45/ano
Fonte: desenvolvido pelo autor.
5.6.2 Receita pelos créditos de carbono e venda de energia
Um acordo realizado em dezembro de 1997 levou à concepção do
Protocolo de Quioto, que visa controlar as intervenções humanas nas
mudanças climáticas. Foram estabelecidos mecanismos de flexibilização
de modo a não comprometer as economias dos países desenvolvidos
[17]. O Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) é um dos
mecanismos de flexibilização, o qual prevê a venda de créditos de
carbono. Dessa maneira, os gases dos aterros sanitários podem ser
tratados tanto pela queima em flares quanto pela geração de energia,
sendo possível a venda de créditos de carbono [18].
69
O crédito de carbono do MDL, denominado Redução Certificada
de Emissão (RCE), equivale a uma tonelada de CO2. O potencial de
aquecimento global do CO2 foi estabelecido como 1 e do metano 21
[17].
Na tabela 15 são mostradas as quantidades de metano consumidas
pelo gerador, queimadas no flare e o equivalente em toneladas de CO2
para geração de créditos de carbono em cada ano. Conforme [26], a
eficiência de queima no flare é de 90%.
Tabela 15 - CO2 equivalente para geração de créditos de carbono.
Ano
Consumo de
metano pelo
gerador (t
CH4/ano)
Metano
queimado em
flare (t
CH4/ano)
CO2 equivalente
para geração de
créditos (t
CO2/ano)
2014 305,07 99,79 8.501,98
2015 305,07 394,44 14.689,61
2016 305,07 676,09 20.604,42
2017 305,07 976,54 26.913,81
2018 305,07 1.294,86 33.598,47
2019 305,07 1.623,81 40.506,40
2020 305,07 1.989,41 48.184,09
2021 305,07 2.343,85 55.627,22
2022 305,07 2.718,93 63.504,09
2023 305,07 3.063,70 70.744,26
2024 305,07 3.508,26 80.079,89
2025 305,07 3.943,85 89.227,37
2026 305,07 4.341,82 97.584,62
2027 305,07 4.841,44 108.076,80
2028 305,07 5.316,83 118.059,96
2029 305,07 5.769,90 127.574,32
2030 305,07 6.202,41 136.657,06
2031 305,07 6.616,01 145.342,64
70
2032 305,07 7.012,22 153.663,03
2033 305,07 7.392,44 161.647,80
2034 305,07 7.758,00 169.324,38
2035 305,07 8.110,08 176.718,22
2036 305,07 7.388,43 161.563,43
2037 305,07 6.728,88 147.713,00
2038 305,07 6.126,10 135.054,66
2039 305,07 5.575,21 123.485,80
2040 305,07 5.071,72 112.912,66
2041 305,07 4.611,58 103.249,54
2042 305,07 4.191,03 94.418,12
2043 305,07 3.806,68 86.346,80
2044 305,07 3.455,41 78.970,18
2045 305,07 3.134,38 72.228,45
Fonte: desenvolvido pelo autor.
Tendo em vista que o preço das RCEs entre 4 e 11 de junho de
2013 é de €4,00 [28] e utilizando a taxa cambial como €1,00 = R$ 2,85
[29], tem-se na tabela 16 a receita obtida com a venda dos créditos de
carbono em cada ano.
Tabela 16 - Receita obtida com os créditos de carbono.
Ano Receita obtida com
os créditos (€ )
Receita obtida com
os créditos (R$)
2014 34.007,91 96.922,54
2015 58.758,42 167.461,51
2016 82.417,70 234.890,43
2017 107.655,22 306.817,39
2018 134.393,87 383.022,52
71
2019 162.025,61 461.772,98
2020 192.736,37 549.298,65
2021 222.508,88 634.150,31
2022 254.016,37 723.946,65
2023 282.977,05 806.484,60
2024 320.319,58 912.910,80
2025 356.909,49 1.017.192,06
2026 390.338,49 1.112.464,69
2027 432.307,20 1.232.075,52
2028 472.239,85 1.345.883,57
2029 510.297,29 1.454.347,26
2030 546.628,26 1.557.890,54
2031 581.370,58 1.656.906,14
2032 614.652,12 1.751.758,54
2033 646.591,21 1.842.784,94
2034 677.297,51 1.930.297,89
2035 706.872,88 2.014.587,71
2036 646.253,73 1.841.823,12
2037 590.851,99 1.683.928,18
2038 540.218,62 1.539.623,07
2039 493.943,20 1.407.738,13
2040 451.650,66 1.287.204,37
2041 412.998,18 1.177.044,81
2042 377.672,47 1.076.366,55
2043 345.387,21 984.353,55
2044 315.880,70 900.260,00
2045 288.913,78 823.404,28
Fonte: desenvolvido pelo autor.
De acordo com [30], o preço da energia elétrica é de,
aproximadamente, R$ 150,00/MWh. Como todos os anos serão
72
produzidas e consumidas as mesmas quantidades de energia, basta
multiplicar esse preço pela quantidade de energia excedente que pode
ser vendida, tendo-se uma receita de R$ 110.660,04 por ano.
5.6.3 Cálculos do Valor Presente Líquido (VPL) e Taxa Interna de
Retorno (TIR)
O valor presente líquido (VPL) é um método de análise de
investimentos o qual permite comparar investimentos iniciais com
retornos futuros. Para isso é necessário estabelecer uma taxa mínima de
atratividade (TMA), que é representada sob a forma de taxa de juros. O
VPL deve ser maior do que zero para o projeto ser considerado viável
[2]. O equacionamento do VPL é apresentado na equação 8.
∑
(8)
Onde:
C0: montante a ser aplicado na data zero;
Ci: fluxo de caixa na data i;
r: taxa de juros;
n: nº de período em anos.
O cálculo do VPL foi feito no software Microsoft Excel, usando
uma TMA de 5% e um período de projeto de 32 anos. O resultado foi
R$ 5.742.582,36. Logo, o projeto é viável.
A taxa interna de retorno (TIR) é a taxa que torna nulo o VPL de
um investimento, ou seja, é a taxa de juros onde os valores das despesas
trazidas ao valor presente é igual aos valores dos retornos dos
investimentos, também trazidos ao valor presente. Para o investimento
ser atrativo é preciso que a TIR seja maior do que a TMA [2].
O cálculo do TIR também foi realizado no software Microsoft
Excel em um período de 32 anos. Foi obtido o valor de 10%, portanto
maior do que a TMA de 5% e o investimento pode ser considerado
atrativo.
5.6.4 Financiamento, payback e relação custo-benefício
O financiamento desse projeto será feito através do Banco
Nacional do Desenvolvimento (BNDES). Será financiado o valor total
do investimento, que é de R$ 4.925.060,01 com uma taxa de juros de
6,5% ao ano. O prazo de pagamento do financiamento será de 240
meses, com carência de 36 meses.
73
A tabela 17 mostra as parcelas a serem pagas e as receitas anuais
desde 2014 até o fim do projeto, em 2045, sendo que em 2033 o
financiamento é totalmente amortizado. A receita líquida total
representa a diferença entre os ganhos devido às vendas de créditos de
carbono e de energia e os gastos devido aos custos de operação e
manutenção.
74
Tabela 17 - Estudo de viabilidade do projeto.
Fonte: desenvolvido pelo autor.
4.925.060,01 240
6,5 36
AnoParcela fixa
(R$)
Juros anuais
(R$)
Parcela total
(R$)
Receita
líquida total
(R$)
Saldo
acumulado
(R$)
2014 0,00 320.128,90 320.128,90 -137.171,62 -457.300,52
2015 0,00 320.128,90 320.128,90 -66.632,65 -844.062,08
2016 0,00 320.128,90 320.128,90 796,27 -1.163.394,71
2017 289.709,41 320.128,90 609.838,31 72.723,23 -1.700.509,79
2018 289.709,41 301.297,79 591.007,20 148.928,36 -2.142.588,63
2019 289.709,41 282.466,68 572.176,09 227.678,82 -2.487.085,90
2020 289.709,41 263.635,57 553.344,98 315.204,49 -2.725.226,40
2021 289.709,41 244.804,45 534.513,87 400.056,15 -2.859.684,11
2022 289.709,41 225.973,34 515.682,75 489.852,49 -2.885.514,38
2023 289.709,41 207.142,23 496.851,64 572.390,44 -2.809.975,58
2024 289.709,41 188.311,12 478.020,53 678.816,64 -2.609.179,47
2025 289.709,41 169.480,01 459.189,42 783.097,90 -2.285.270,99
2026 289.709,41 150.648,89 440.358,31 878.370,52 -1.847.258,78
2027 289.709,41 131.817,78 421.527,19 997.981,36 -1.270.804,61
2028 289.709,41 112.986,67 402.696,08 1.111.789,41 -561.711,28
2029 289.709,41 94.155,56 383.864,97 1.220.253,10 274.676,85
2030 289.709,41 75.324,45 365.033,86 1.323.796,38 1.233.439,36
2031 289.709,41 56.493,34 346.202,75 1.422.811,98 2.310.048,59
2032 289.709,41 37.662,22 327.371,64 1.517.664,38 3.500.341,34
2033 289.709,41 18.831,11 308.540,52 1.608.690,78 4.800.491,60
2034 0,00 0,00 0,00 1.696.203,73 6.496.695,33
2035 0,00 0,00 0,00 1.780.493,55 8.277.188,88
2036 0,00 0,00 0,00 1.607.728,96 9.884.917,84
2037 0,00 0,00 0,00 1.449.834,02 11.334.751,86
2038 0,00 0,00 0,00 1.305.528,91 12.640.280,77
2039 0,00 0,00 0,00 1.173.643,97 13.813.924,74
2040 0,00 0,00 0,00 1.053.110,21 14.867.034,95
2041 0,00 0,00 0,00 942.950,65 15.809.985,60
2042 0,00 0,00 0,00 842.272,39 16.652.257,99
2043 0,00 0,00 0,00 750.259,39 17.402.517,38
2044 0,00 0,00 0,00 666.165,84 18.068.683,22
2045 0,00 0,00 0,00 589.310,12 18.657.993,34
Prazo (meses)
Carência (meses)
Valor financiado (R$)
Taxa de juros a.a. (%)
75
O payback é o período necessário para que o saldo acumulado se
torne positivo. Pode-se observar na tabela 17 que no ano de 2029 haverá
retorno do investimento. Portanto, esse projeto possui um payback de 16
anos.
A relação custo-benefício (RCB) é outro indicador de viabilidade
de um projeto. É feita com o uso da equação 9.
(9)
A receita total é a soma de todos os ganhos obtidos com a venda
de energia e créditos de carbono durante todo o período do projeto, que
resulta em R$ 38.456.734,57. Já a despesa total é a soma de todas as
parcelas a serem pagas devido ao financiamento, mais a soma dos custos
de O&M em todo o período do projeto, obtendo-se R$ 19.798.741,23.
O resultado é uma relação custo-benefício de 1,94, portanto os
benefícios excedem os custos e tem-se mais um indício de que o projeto
é viável.
76
77
CAPÍTULO 6: CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA
TRABALHOS FUTUROS
6.1 CONCLUSÕES
Os aterros sanitários apresentam ótimas alternativas para geração
de energia elétrica e diminuição de gases de efeito estufa, visto que o
metano utilizado nesse processo é transformado em CO2, que é 21 vezes
menos nocivo ao ambiente.
O estudo realizado mostrou ser possível a extração de biogás de
um aterro sanitário hipotético, semelhante ao de Tijuquinhas, para
geração de energia elétrica. Foi constatado que o seu potencial de
geração de energia pode chegar a 3,54 MW ao final de sua vida útil, no
ano de 2035.
Os estudos das técnicas de conversão de energia revelaram que,
apesar de emitirem mais NOx, os motores a gás possuem maior
eficiência e menor preço comparados às turbinas a gás e microturbinas.
Portanto, o uso do motor ciclo diesel adaptado para operar a biogás foi
uma escolha economicamente viável.
Na análise econômica foi calculado um valor presente líquido
positivo e uma taxa interna de retorno maior do que a taxa mínima de
atratividade estabelecida. Como o projeto tem duração até o ano de
2045, o payback de 16 anos pode ser visto com otimismo, uma vez que a
partir da data em que o investimento for recuperado haverá lucro por
mais 16 anos. A relação custo-benefício calculada comprova a
viabilidade do projeto. Constata-se que o projeto tem um custo inicial
elevado, porém pode ser considerado viável.
As previsões de receitas por créditos de carbono poderiam ter
sido mais altas se o estudo de caso fosse realizado em anos anteriores,
pois as RCEs estão desvalorizadas atualmente, cotadas a €4,00,
enquanto que em dezembro de 2009 custavam mais de €12,00. Há
previsões de que o preço do carbono não ultrapassará €10,00 até 2020.
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como sugestão para trabalhos futuros tem-se o estudo da
viabilidade econômica do uso do biogás para implantação de uma
tecnologia de iluminação a gás, a ser instalada no próprio aterro
sanitário, aprimorando o estudo já realizado.
É possível também fazer o mesmo estudo de caso elaborado nesse
trabalho, contudo utilizando turbinas a gás, que possuem potência maior
78
e agridem menos o meio ambiente, porém com custo mais elevado
comparado aos motores a gás.
Outra sugestão seria usar um motor de combustão interna com
uma eficiência maior do que 28%, assim a estimativa de potência
disponível no aterro aumentaria.
79
REFERÊNCIAS
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Paraná.
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do Tratamento de Esgoto. São Paulo, 2006, Dissertação. Universidade
de São Paulo.
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Universidade de Campinas, UNICAMP.
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geração de energia elétrica a partir do biogás de tratamento do esgoto residencial da USP – Estudo de Caso. São Paulo, 2006, Dissertação.
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Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da Universidade de São Paulo.
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<http://www.ibam.org.br/>. Acesso em 21/03/2013.
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<http://www.cenedcursos.com.br/impactos-ambientais-lixoes.html>.
Acesso em 27/03/2013.
[9] FERNANDES, J. G., Estudo da Emissão de Biogás em um
Aterro Sanitário Experimental. Universidade Federal de Minas Gerais.
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80
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Federal de Minas Gerais. Sistema de Captação do Biogás Bruto.
Disponível em:
<http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/gasosos/biogas/captaca
o.htm>. Acesso em 28/03/2013.
[11] OLIVEIRA, L. B., Potencial de Aproveitamento Energético de Lixo e de Biodiesel de Insumos Residuais no Brasil. (Tese de
doutorado). Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Rio de
Janeiro, 2004.
[12] WEYDT, G.; MARINHO, D.; BARKER, R.; SOARES, L.,
Trabalho Sobre Ciclo de Brayton - Turbinas a Gás. Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, UFRN, Natal, 2011.
[13] CORREA, A. S. A influência da folga de válvulas na geração
de ruído e vibração no motor fire 999cc 8v. (Dissertação de Mestrado).
Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Florianópolis, 2003.
[14] MSPC - Informações Técnicas. Termodinâmica V-20.
Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml>.
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Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/termo/termod0525.shtml>.
Acesso em 12/04/2013.
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Partir de Biogás de Tratamento de Esgoto. Encontro de Energia no
meio Rural. Campinas, 2004.
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ambientais e aproveitamento do potencial energético. Monografia
(Especialização em Gestão Ambiental e Negócios no Setor Energético
do Instituto de Eletrotécnica e Energia) IEE da Universidade de São
Paulo, USP, São Paulo, 2010.
81
[18] DIAS, V. C. F. Estudo das emissões de biogás nos aterros
sanitários de Içara e Tijuquinhas. (Dissertação de Mestrado).
Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Florianópolis, 2009.
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Biogás Produzido numa Estação de Tratamento de Esgoto. (Dissertação
de mestrado). Universidade Estadual Paulista, UNESP, Ilha Solteira,
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[20] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Resíduos
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[21] Combustec - Indústria e Comércio de Queimadores Ltda.
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sanitário. Disponível em: <http://super.abril.com.br/blogs/ideias-
verdes/qual-a-diferenca-entre-lixao-e-aterro-sanitario/>. Acesso em:
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Estação de Tratamento de Esgoto de Cascavel para a Geração de Energia Elétrica. (Dissertação de mestrado). Universidade Estadual do
Oeste do Paraná, Unioeste, Cascavel, 2012.
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Tijuquinhas da Proactiva. 2007.
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para América Latina e Caribe, Escritório de projetos no Brasil, São
Paulo, 2009.
82
[27] SCS Engineers. Relatório de avaliação preliminar. Aterro
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[28] Instituto Carbono Brasil. Análise Financeira. Disponível em:
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[29] UOL. UOL Economia. Disponível em:
<http://economia.uol.com.br/>. Acesso em: 12/06/2013.
[30] Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE).
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64492000#%40%3F_afrLoop%3D476189964492000%26_adf.ctrlstate
%3Dnj2qfdtfi_17>. Acesso em: 12/06/2013.
[31] Pinheiro, S. B., Recuperação energética do biogás. Curso de
especialização em gestão ambiental urbana. Universidade Federal do
Rio Grande do Norte, Natal, 2011.
83
APÊNDICE A – Cronograma
Planilha 1 – Cronograma.
Fonte: desenvolvido pelo autor.
Tarefas 18/mar 01/abr 15/abr 29/abr 13/mai 27/mai 10/jun 24/jun
Pesquisar sobre as classificações dos resíduos sólidos urbanos
Pesquisar sobre os métodos de aterramento dos resíduos
Avaliar os riscos ambientais dos resíduos sólidos
Estudar os sistemas de captação do biogás
Estudar os sistemas de queima do biogás
Estudar os sistemas de tratamento do biogás
Pesquisar sobre tecnologias de conversão do biogás
Pesquisar os dados técnicos do aterro de Tijuquinhas
Determinar o potencial de produção de biogás
Determinar o sistema de geração de energia
Analisar a viabilidade econômica do projeto
Apresentar as conclusões
Defesa do TCC
Correções
Quinzenas
