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AVALIAÇÃO DO PROJETO PILOTO DE RECUPERAÇÃO DO BIOGÁS NO ATERRO DA MURIBECA/PE Universidade Federal de Pernambuco Grupo de Resíduos Sólidos - GRS Dsc. Eng. Civil - Felipe Jucá Maciel
INTRODUÇÃO - OBJETIVO GERAL DA PESQUISA: - ESPECÍFICOS: Avaliar o potencial de biogás e energia em um aterro experimental com cerca de 37.000 t de RSU. a) Caracterização física e química dos resíduos; b) Comportamento geoambiental da célula (biodegradabilidade); c) Avaliação de emissões fugitivas de CH 4  pela cobertura; d)  Definição parâmetros técnicos e econômicos do projeto de aproveitamento do biogás ;
INTRODUÇÃO - JUSTIFICATIVAS DA PESQUISA: Situação da destinação final dos RSU no Brasil ainda é crítica: 64% dos resíduos dispostos em 4.000 lixões (IBGE); b) Cenário de vários municípios de pequeno-médio porte – escala do aterro experimental;  c) Emissões de gases em aterros de RSU é um problema de poluição local e global (efeito estufa) e pode gerar receitas (MDL) para o município; d) Previsão da geração de biogás ainda é imprecisa para as condições do Brasil (clima, resíduo, operação) – falhas técnicas em projetos existentes. e) Aproveitamento energético do biogás é incipiente no Brasil – fonte renovável de energia e disponibilidade de energia;
- Contexto mundial: Histórico Brasil:  Década 70 (ex. Comlurb) – uso veicular. Posteriormente (2000),  Proinfa e MDL surgiram novos projetos (7 plantas). Em operação  escala comercial: Bandeirantes (20 MW), São João (25MW) e  Nova Iguaçu/RJ (12 MW)   EUA (2007) = 425 projetos. Califórnia possui 74 plantas;  Alemanha (1995) = 112 unidades; GBR (1993) = 55 instalações;   INTRODUÇÃO
PROJETOS MDL NO BRASIL (2011): Atualmente, 26 projetos de redução de emissões no MCT dos quais apenas 7 envolvem geração de energia; 2004: Nova Iguaçu/RJ (12MW), Vega/BA (40MW) e Cariacica/ES (11 MW); 2005: Mauá/SP (10 MW), Bandeirantes/SP (22 MW) e São João (20 MW); 2006: Manaus/AM (18 MW) 2007 a 2011: ------ Monitoramento dos projetos (IPCC): INTRODUÇÃO
MATERIAIS E MÉTODOS - Localização da Célula Experimental
MATERIAIS E MÉTODOS - Layout da Célula Experimental Área base = 85 m x 70 m; Altura máx. = 9,0 m; Drenos vert. = 5 und PVC + brita; Cobertura = 40-90 cm argila; Rede de coleta = 300 m PEAD; Enchimento = Abr/07 a Jan/08 )
MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS E MÉTODOS
- Usina Piloto da Muribeca MATERIAIS E MÉTODOS Gerador assíncrono (trigás) = 20 kVA potência instalada, motor GM corsa 1.8, trifásico, 380 volts; Compressor radial 4 cv = vazão máxima de 252 m 3 /h; Filtro de biogás = remoção de H 2 S; Sistema trocador de calor; Medidor volumétrico de gás;
MATERIAIS E MÉTODOS -  BIOGÁS  (velocidade, pressão, temp. e composição) Equipamentos portáteis (anemômetro, manômetro, termômetro e analisador de gás) ou fixos (manômetros e poço térmico)
Monitoramento individual por dreno e do sistema completo (saída do flare): MATERIAIS E MÉTODOS
MATERIAIS E MÉTODOS -  ENERGIA  (consumo gás, produção de energia, eficiência) Leituras instantâneas (carga, rotação, temperatura, etc) - Painel de Controle do Equipamento Leituras acumuladas (medidor de gás volumétrico e medidor trifásico de energia)
RESULTADOS E DISCUSSÕES 1) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS:  a) Qualidade do biogás - Não foi observado variações significativas na qualidade do gás; - Qualidade do biogás (CH 4  > 50%) favorável para recuperação energética; - Drenos 4 e 5 – qualidade inferior em função da baixa profundidade;
RESULTADOS E DISCUSSÕES b) Quantidade de biogás - Produção de biogás mais acelerada e intensa que o previsto na literatura internacional    influencia direta viabilidade do empreendimento; Indicador 1: Taxa captação do dreno por metro (até 8,5 Nm 3 /h.m);  (Não é função da profundidade do dreno, mas sim de condições internas do aterro e estruturais dos drenos) Indicador 2: Taxa captação por tonelada resíduo (até 46,2 Nm 3 /t.ano); Indicador 3: Eficiência de captação = 41% (drenagem livre) e aprox. 60% (c/ compressor - sucção); Dreno Prof. (m) Vazão CH 4  (Nm 3 /h) Redução (%) - vazão CH 4 t = 0 (jan/08) t = 550 dias (jul/09) t = 930 dias (ago/10) t = 1180 dias (abr/11) t= 550 dias t= 1180 dias DV-01  7,0 30,4 9,1 4,5 1,6 70,1 94,7 DV-02 7,0 22,6 7,5 4,2 2,5 66,8 88,9 DV-03 8,0 26,8 10,2 2,7 1,7 61,9 93,7 DV-04 3,0 9,8 1,4 0,7 0,2 85,7 98,0 DV-05 4,5 7,7 1,4 0,9 0,7 81,8 90,9 TOTAL ------ 97,3 29,6 13,0 6,7 73,3 93,2
RESULTADOS E DISCUSSÕES - Comparação com modelos literatura (EPA e IPCC) utilizando parâmetros “default” não foi satisfatória; - Velocidade de degradação 4,0 a 5,0 vezes maior que o recomendado pelos modelos;
RESULTADOS E DISCUSSÕES Objetivo: Evitar presença de H 2 O e H 2 S no gerador; Tratamento primário : Temp gás = 37,0ºC e temp amb = 29,5ºC. Com trocador de calor ->redução temp 2,5ºC  minimizou  condensação de H 2 O; 2) TRATAMENTO DO BIOGÁS: -  Tratamento secundário : Eficiência final de até 75% de remoção de H 2 S;
RESULTADOS E DISCUSSÕES Testes iniciais identificaram dois problemas para funcionamento: (I) excesso de pressão    solução: válv. reguladora (II) condensação de vapor H 2 O    solução: trocador de calor; Avaliação do consumo de gás e eficiência elétrica do sistema Melhorias implantadas reduziram o consumo de gás e aumentaram a eficiência elétrica (3,5% p/ 35%); Literatura internacional = 20% a 45%; Consumo CH 4  reduziu de 50 para 5 Nm 3 /h. 3) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE ENERGIA:
RESULTADOS E DISCUSSÕES Melhorias implementadas no sistema: (I) Válvula reguladora de entrada de ar; (II) Medidor volumétrico de gás (III) Válvulas de ajuste fino (controle do fluxo); Medidor de gás Válvula regulagem entrada de ar no motor. Válvulas regulagem biogás
RESULTADOS E DISCUSSÕES - Produção acumulada de energia na Usina Piloto - Produção acumulada até jul/09 – 6.500 kWh; - Considerando horas de operação (350 h), obtêm-se produção de 458kWh/dia ou 17,8kW (90% da capacidade instalada da usina);
RESULTADOS E DISCUSSÕES 4) VIABILIDADE FINANCEIRA DO APROVEITAMENTO: Tipo I: exclusivo com geração de energia elétrica; Tipo II: exclusivo com queima do biogás e obtenção CERs;  Tipo III: energia + queima p/ CERs; - Análise: VPL e TIR a) Período 10 anos (mar/2008); b) Curva experimental da produção de biogás; c) Levantamento de despesas (adm, depreciação, investimento, O&M); d) Previsão de receitas (venda energia e CERs).
RESULTADOS E DISCUSSÕES Tipo I  (energia):  Só viável com produção otimizada de energia (TIR = 17,5%); Tipo II  (queima):  Preço atual de €15/tCO 2  – TIR = 45,8%. Pode chegar até TIR de 154% (€25/tCO 2 ); Tipo III  (energia+queima ):  - Tarifa biogás (Aneel nº335/2008) - R$0,229/kWh (TIR =17,7%) - Tarifa consumo Celpe - R$0,448/kWh (TIR = 65,9%)
PRINCIPAIS CONCLUSÕES Condições climáticas na RMR extremamente favoráveis para acelerar decomposição dos RSU; Características dos RSU da Muribeca foram favor á veis para potencializar a gera ç ão de biog á s (% M.O e umidade); A qualidade do biogás foi satisfatória para produzir energia desde fechamento da célula (CH 4  > 50%); Velocidade de degradação de 4,0 a 5,0 vezes maior que previsto pelo EPA e IPCC; A eficiência elétrica máxima do gerador foi de 35% (após várias regulagens no sistema); Viabilidade financeira mais atrativa do Projeto é com queima do biogás para obtenção dos CERs (TIR máx. = 154%);
CONSIDERAÇÕES FINAIS Contribuiu para o desenvolvimento de novas metodologias de  caracterização dos resíduos e avaliação do potencial de biogás; A geração de biogás (RMR) mais acelerada e em maior quantidade que o previsto na literatura    impacto nos estudos de viabilidade; A viabilidade da produção de energia deve ser analisada considerando os fatores locais de disponibilidade de energia na região (definição da tarifação); A pesquisa pode ser aplicada para aterros de pequeno-médio porte, além de servir de referência para grandes aterros (∑ pequenas células).
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  • 1. AVALIAÇÃO DO PROJETO PILOTO DE RECUPERAÇÃO DO BIOGÁS NO ATERRO DA MURIBECA/PE Universidade Federal de Pernambuco Grupo de Resíduos Sólidos - GRS Dsc. Eng. Civil - Felipe Jucá Maciel
  • 2. INTRODUÇÃO - OBJETIVO GERAL DA PESQUISA: - ESPECÍFICOS: Avaliar o potencial de biogás e energia em um aterro experimental com cerca de 37.000 t de RSU. a) Caracterização física e química dos resíduos; b) Comportamento geoambiental da célula (biodegradabilidade); c) Avaliação de emissões fugitivas de CH 4 pela cobertura; d) Definição parâmetros técnicos e econômicos do projeto de aproveitamento do biogás ;
  • 3. INTRODUÇÃO - JUSTIFICATIVAS DA PESQUISA: Situação da destinação final dos RSU no Brasil ainda é crítica: 64% dos resíduos dispostos em 4.000 lixões (IBGE); b) Cenário de vários municípios de pequeno-médio porte – escala do aterro experimental; c) Emissões de gases em aterros de RSU é um problema de poluição local e global (efeito estufa) e pode gerar receitas (MDL) para o município; d) Previsão da geração de biogás ainda é imprecisa para as condições do Brasil (clima, resíduo, operação) – falhas técnicas em projetos existentes. e) Aproveitamento energético do biogás é incipiente no Brasil – fonte renovável de energia e disponibilidade de energia;
  • 4. - Contexto mundial: Histórico Brasil: Década 70 (ex. Comlurb) – uso veicular. Posteriormente (2000), Proinfa e MDL surgiram novos projetos (7 plantas). Em operação escala comercial: Bandeirantes (20 MW), São João (25MW) e Nova Iguaçu/RJ (12 MW) EUA (2007) = 425 projetos. Califórnia possui 74 plantas; Alemanha (1995) = 112 unidades; GBR (1993) = 55 instalações; INTRODUÇÃO
  • 5. PROJETOS MDL NO BRASIL (2011): Atualmente, 26 projetos de redução de emissões no MCT dos quais apenas 7 envolvem geração de energia; 2004: Nova Iguaçu/RJ (12MW), Vega/BA (40MW) e Cariacica/ES (11 MW); 2005: Mauá/SP (10 MW), Bandeirantes/SP (22 MW) e São João (20 MW); 2006: Manaus/AM (18 MW) 2007 a 2011: ------ Monitoramento dos projetos (IPCC): INTRODUÇÃO
  • 6. MATERIAIS E MÉTODOS - Localização da Célula Experimental
  • 7. MATERIAIS E MÉTODOS - Layout da Célula Experimental Área base = 85 m x 70 m; Altura máx. = 9,0 m; Drenos vert. = 5 und PVC + brita; Cobertura = 40-90 cm argila; Rede de coleta = 300 m PEAD; Enchimento = Abr/07 a Jan/08 )
  • 10. - Usina Piloto da Muribeca MATERIAIS E MÉTODOS Gerador assíncrono (trigás) = 20 kVA potência instalada, motor GM corsa 1.8, trifásico, 380 volts; Compressor radial 4 cv = vazão máxima de 252 m 3 /h; Filtro de biogás = remoção de H 2 S; Sistema trocador de calor; Medidor volumétrico de gás;
  • 11. MATERIAIS E MÉTODOS - BIOGÁS (velocidade, pressão, temp. e composição) Equipamentos portáteis (anemômetro, manômetro, termômetro e analisador de gás) ou fixos (manômetros e poço térmico)
  • 12. Monitoramento individual por dreno e do sistema completo (saída do flare): MATERIAIS E MÉTODOS
  • 13. MATERIAIS E MÉTODOS - ENERGIA (consumo gás, produção de energia, eficiência) Leituras instantâneas (carga, rotação, temperatura, etc) - Painel de Controle do Equipamento Leituras acumuladas (medidor de gás volumétrico e medidor trifásico de energia)
  • 14. RESULTADOS E DISCUSSÕES 1) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS: a) Qualidade do biogás - Não foi observado variações significativas na qualidade do gás; - Qualidade do biogás (CH 4 > 50%) favorável para recuperação energética; - Drenos 4 e 5 – qualidade inferior em função da baixa profundidade;
  • 15. RESULTADOS E DISCUSSÕES b) Quantidade de biogás - Produção de biogás mais acelerada e intensa que o previsto na literatura internacional  influencia direta viabilidade do empreendimento; Indicador 1: Taxa captação do dreno por metro (até 8,5 Nm 3 /h.m); (Não é função da profundidade do dreno, mas sim de condições internas do aterro e estruturais dos drenos) Indicador 2: Taxa captação por tonelada resíduo (até 46,2 Nm 3 /t.ano); Indicador 3: Eficiência de captação = 41% (drenagem livre) e aprox. 60% (c/ compressor - sucção); Dreno Prof. (m) Vazão CH 4 (Nm 3 /h) Redução (%) - vazão CH 4 t = 0 (jan/08) t = 550 dias (jul/09) t = 930 dias (ago/10) t = 1180 dias (abr/11) t= 550 dias t= 1180 dias DV-01 7,0 30,4 9,1 4,5 1,6 70,1 94,7 DV-02 7,0 22,6 7,5 4,2 2,5 66,8 88,9 DV-03 8,0 26,8 10,2 2,7 1,7 61,9 93,7 DV-04 3,0 9,8 1,4 0,7 0,2 85,7 98,0 DV-05 4,5 7,7 1,4 0,9 0,7 81,8 90,9 TOTAL ------ 97,3 29,6 13,0 6,7 73,3 93,2
  • 16. RESULTADOS E DISCUSSÕES - Comparação com modelos literatura (EPA e IPCC) utilizando parâmetros “default” não foi satisfatória; - Velocidade de degradação 4,0 a 5,0 vezes maior que o recomendado pelos modelos;
  • 17. RESULTADOS E DISCUSSÕES Objetivo: Evitar presença de H 2 O e H 2 S no gerador; Tratamento primário : Temp gás = 37,0ºC e temp amb = 29,5ºC. Com trocador de calor ->redução temp 2,5ºC minimizou condensação de H 2 O; 2) TRATAMENTO DO BIOGÁS: - Tratamento secundário : Eficiência final de até 75% de remoção de H 2 S;
  • 18. RESULTADOS E DISCUSSÕES Testes iniciais identificaram dois problemas para funcionamento: (I) excesso de pressão  solução: válv. reguladora (II) condensação de vapor H 2 O  solução: trocador de calor; Avaliação do consumo de gás e eficiência elétrica do sistema Melhorias implantadas reduziram o consumo de gás e aumentaram a eficiência elétrica (3,5% p/ 35%); Literatura internacional = 20% a 45%; Consumo CH 4 reduziu de 50 para 5 Nm 3 /h. 3) AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE ENERGIA:
  • 19. RESULTADOS E DISCUSSÕES Melhorias implementadas no sistema: (I) Válvula reguladora de entrada de ar; (II) Medidor volumétrico de gás (III) Válvulas de ajuste fino (controle do fluxo); Medidor de gás Válvula regulagem entrada de ar no motor. Válvulas regulagem biogás
  • 20. RESULTADOS E DISCUSSÕES - Produção acumulada de energia na Usina Piloto - Produção acumulada até jul/09 – 6.500 kWh; - Considerando horas de operação (350 h), obtêm-se produção de 458kWh/dia ou 17,8kW (90% da capacidade instalada da usina);
  • 21. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4) VIABILIDADE FINANCEIRA DO APROVEITAMENTO: Tipo I: exclusivo com geração de energia elétrica; Tipo II: exclusivo com queima do biogás e obtenção CERs; Tipo III: energia + queima p/ CERs; - Análise: VPL e TIR a) Período 10 anos (mar/2008); b) Curva experimental da produção de biogás; c) Levantamento de despesas (adm, depreciação, investimento, O&M); d) Previsão de receitas (venda energia e CERs).
  • 22. RESULTADOS E DISCUSSÕES Tipo I (energia): Só viável com produção otimizada de energia (TIR = 17,5%); Tipo II (queima): Preço atual de €15/tCO 2 – TIR = 45,8%. Pode chegar até TIR de 154% (€25/tCO 2 ); Tipo III (energia+queima ): - Tarifa biogás (Aneel nº335/2008) - R$0,229/kWh (TIR =17,7%) - Tarifa consumo Celpe - R$0,448/kWh (TIR = 65,9%)
  • 23. PRINCIPAIS CONCLUSÕES Condições climáticas na RMR extremamente favoráveis para acelerar decomposição dos RSU; Características dos RSU da Muribeca foram favor á veis para potencializar a gera ç ão de biog á s (% M.O e umidade); A qualidade do biogás foi satisfatória para produzir energia desde fechamento da célula (CH 4 > 50%); Velocidade de degradação de 4,0 a 5,0 vezes maior que previsto pelo EPA e IPCC; A eficiência elétrica máxima do gerador foi de 35% (após várias regulagens no sistema); Viabilidade financeira mais atrativa do Projeto é com queima do biogás para obtenção dos CERs (TIR máx. = 154%);
  • 24. CONSIDERAÇÕES FINAIS Contribuiu para o desenvolvimento de novas metodologias de caracterização dos resíduos e avaliação do potencial de biogás; A geração de biogás (RMR) mais acelerada e em maior quantidade que o previsto na literatura  impacto nos estudos de viabilidade; A viabilidade da produção de energia deve ser analisada considerando os fatores locais de disponibilidade de energia na região (definição da tarifação); A pesquisa pode ser aplicada para aterros de pequeno-médio porte, além de servir de referência para grandes aterros (∑ pequenas células).