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Workshop – Valorização Energética de Resíduos Verdes Herbáceos
2013 - 2016
Loulé
Biogás - Biometano)
Doutor Santino Di Berardino
Investigador Principal-Unidade de Bioenergia,
LNEG, Estrada. do Paço do Lumiar,
1649-038 LISBOA
IEE/12/046/SI2,645700
3 de Outubro de 2014
PROJECTO GR3
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História
• 1776: Descoberta da produção de um gás inflamável (o metano) por Alessandro Volta,.
• 1859 primeira experiência conhecida de utilização directa do biogás, numa colónia de leprosos, em Bombaim
• 1895, Primeira experiência europeia em escala. Iluminação de algumas ruas da cidade de Exeter (Inglaterra) com biogás.
• Todavia, este combustível não conseguiu singrar. limitou-se, durante muitos anos, a casos esporádicos e com pouco interesse.
• Nos anos 40, graves carências energéticas provocadas pela 2ª guerra mundial, o biogás foi utilizado com intensidade para aquecimento e iluminação e para alimentar camiões municipais.
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História-2
• Nos anos 50 e 60, a relativa abundância das fontes
de energia tradicionais desencorajou a
recuperação do biogás na maioria dos países
desenvolvidos. em países com poucos recursos de
capitais e energia (Índia, China, etc.) o biogás
desempenhou um papel de uma certa
importância, sobretudo a nível dos pequenos
aglomerados rurais.
• crise energética dos anos 70, o gás metano dos
digestores anaeróbios voltou a ser tema de
actualidade.
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Impacto Actualmente à escala nacional o biogás é sobretudo
produzido por razões ambientais. O subproduto do tratamento de resíduos e efluentes.
Nesta perspectiva, mesmo se for intensamente produzido, poderá substituir cerca de 15 % dos consumos energéticos.
No entanto, pode tornar-se uma fonte praticamente inesgotável se, para além de ser gerado dos lixos, esgotos e outros resíduos orgânicos, for produzido a partir de culturas vegetais plantadas para o efeito, e constituir uma alternativa energética
A energia do biogás tem aspectos interessantes, pois trata-se de uma fonte renovável e contribui para a redução da importação de combustíveis. O gás metano é o combustível doméstico mais limpo e mais económico.
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Previsão Na fase actual da economia mundial, a alternativa das
fontes renováveis tem perspectivas de curto, médio e longo prazo francamente positivas.
A crise energética mundial evidenciou a vulnerabilidade energética da União Europa que depende em grande percentagem do petróleo que existe no Oriente Médio, a mais explosiva área do mundo.
É assim essencial diversificar as fontes e a natureza dos combustíveis, de modo a garantir a sobrevivência, o desenvolvimento e a continuidade e incrementar as investigações relativas a fontes alternativas de energia, na substituição do petróleo e seus derivados.
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Produção de gás de vários
compostos As gorduras possuem o maior potencial energético.
Seguem as Proteínas e os hidratos de carbono
Matérial Produção específica de gás (m3/kg SV)
Carbohidratos 0,5
Proteínas 0,7
Lípidos 1,2
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Animal Nº Produção Biogás (m3/(animal.dia)
vacas 1 1,3
bezerros 1,5 0,85
suinos 9,6 0,135
homens 65 0,02
galinhas 150 0,009
Relações de equivalência entre os diversos tipos de animais em termos de biogás
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Tipo de resíduo Matéria orgânica (ton/dia)
Lixos urbanos 4 000
Lamas de ETAR’s 625
Excreta de suiniculturas 750
Excreta de bovinos 2 300
Excreta de aviários 400
TOTAL 8 075
ESPÉCIE 1989
Bovinos 1 401 340
Ovinos 2 921 113
Caprinos 719 755
Suínos 2 423 957
Cavalar 36 246
Muares 37 129
Asininos 77 515
Perus 1 168 243
Galináceos 28 320 020
Potencial em Portugal
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Características do biogás
é um gás incolor
não é tóxico, resultante do reduzido teor em
monóxido de carbono e sulfídrico
tem um poder calorífico variável, normalmente de
5000 a 7 000 kcal/m3
apresenta menores riscos de explosão que o
propano ou o butano, quando em caso de
acidente se verifiquem fugas de gás para o ar
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ELEMENTOS CONSTITUINTES DO BIOGÁS
%
Metano (CH4) 55 a 80
Gás Carbónico (CO2) 20 a 40
Hidrogénio (H2) 1 a 3
Azoto (N2) 0,5 a 2,5
Oxigénio (O2) 0,1 a 1
Sulfureto de Hidrogénio (H2S) 0,1 a 0,5
Amoníaco (NH3) 0,1 a 0,5
Monóxido de Carbono (CO) 0 a 0,1
Composição do biogás - valores médios
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Características do Biogás
Componente Gás Natural
Gás de aterro
Gás de ETAR
Gás Agropecuária
Metano (%)
90-99
40-55
50-65
50-80
CO2 (%)
0-5
35-50
35-50
20-50
H2S (ppmv)
< 15
< 200
500-3000
< 3000
Poder Calorífico
(Kcal/m3)
9300-10300
4000-5500
4000-6500
5000-8000
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Combustível Poder calorífico (kCal/m3)
Biogás 5 130
Biogás purificado 7 600
Gás de cidade 4 000
Propano 22 000
Butano 11 000
Gasóleo, fuel-óleo, etc. 8 545
Gasolina 7 280
Carvão 6 600
Electricidade 860 kcal/kWh
Metano puro 8 500
Gás natural 9 400-9 500
Poderes caloríficos
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Combustível Quantidades Gás de cidade 1,28 m3
Propano 0,23 m3
1 m3 de biogás 0,46 kg
equivale a: Butano 0,183 m3
0,475 kg
Gasóleo e fuel-óleo 0,6 l
Álcool 1,3 l
Gasolina 0,7 l
Electricidade 6 kWh
Equivalência entre o biogás e os combustíveis comerciais
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Dióxido de carbono O dióxido de carbono (CO2 ) é um gás inerte,
incolor e sem cheiro, mais pesado que o ar. É
mediamente tóxico, asfixiante e tem uma
exposição ocupacional standard de (OES) de 5.000
ppm. O alto teor de CO2 no biogás conduz a um
baixo poder calorífico.
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Sulfureto de Hidrogénio (H2S) É o gás mais perigoso contido no Biogás.
É um gás incolor, mais pesado que o ar
É muito tóxico para os microrganismos, plantas e
homem mesmo a baixos níveis.
Tem um cheiro muito forte a ovos podres.
Constitui a forma do enxofre energeticamente mais
estável e é muito reactivo (Widdel, 1988).
A concentração limite do cheiro é de apenas 0,00047
ppm (EPA, design manual 625/1, 1985).
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Toxicidade A toxicidade do sulfídrico depende essencialmente
da sua forma iónica que consegue passar através da membrana celular (Speece, 1983).
A quantidade relativa entre sulfídrico molecular e a sua forma iónica depende do valor do pH. A pH = 7 o sulfídrico molecular é cerca de 50 %.
Em meio ácido prevalece a forma molecular e, a pH = 6, cerca de 90 % de todo o sulfídrico está na forma molecular que se escapa para a fase gasosa, dando origem a um gás tóxico com mau cheiro. Acima de um pH de 8-9, praticamente todo o sulfídrico dissolvido é presente na forma iónica.
A pH neutro, cerca de 50 % do sulfídrico dissolvido é presente na forma de H2S.
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Solubilidade de H2S
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Temperatura (ºC) Solubilidade (mg S/l)
0 6648
5 5646
10 4810
15 4150
20 3618
25 3175
30 2806
35 2491
40 2221
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Amoniaco (NH3)
.
O (NH3) é um gás agressivo e lacrimogéneo mais ligeiro do ar com um OES de 10 ppm. Existe geralmente em concentrações muito fracas, pode ser corrosivo para o cobre. Os óxido de azoto libertados durante a sua combustão (NOx) são igualmente tóxicos
O vapor de água presente no gás torna-se corrosivo em combinação com o NH3, CO2 e, especialmente, o H2S de o biogás. O máximo teor de água presente no biogás depende da temperatura, encontrando-se nos valores de saturação no gás de saída do digestor. O arrefecimento do biogás permite a sua condensação e também de sulfídrico, que se torna mais solúvel a baixas temperaturas.
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Monóxido de carbono O biogás, em condições normais de produção,
tem baixo teor de monóxido de carbono (inferior a
0,1 %) e não é tóxico, contrariamente, por exemplo
ao gás de cidade, cujo teor neste gás, próximo dos
20 %, é mortal.
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Propriedades do Biogás • não é normalmente tóxico, devido ao reduzido teor
em monóxido de carbono e sulfídrico
• Tem poder corrosivo e odor característico (devido
ao sulfídrico), sendo muito agressivo para
equipamentos com componentes em cobre, latão
ou aço.
• Devido à presença do metano, um gás combustível
sendo o seu poder calorífico inferior (P.C.I.) cerca
de 5500 kcal/m3, quando a proporção em metano
é aproximadamente de 60 %.
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Propriedades-2 Os outros gases contidos no biogás, não suscitam
problemas em termos de toxicidade ou
nocividade.
O gás carbónico, em proporção significativa (35
%), ocupa um volume perfeitamente dispensável e
obriga, quando não suprimido, a um aumento das
capacidades de armazenamento.
O vapor de água pode ser corrosivo para as
canalizações, depois de condensado.
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Tubagens e acessórios biogás
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Armazenamento do biogás • Compensa as flutuações entre a produção e a utilização
do biogás, permitindo o funcionamento contínuo
• Permite utilizar os motores em horas de maior preço
• Consiste num reservatório capaz de variar o volume de armazenamento e a pressões ligeiramente superiores à atmosférica
• Os reservatórios com volume fixo são geralmente perigosos por poderem permitir a infiltração de ar durante momentos de baixa pressão, e formar misturas explosivas ar-metano.
• Hoje em dia, por razões de custo, utilizam-se correntemente gasómetros flexíveis, em material plástico,
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Armazenamento do biogás A manutenção da pressão de exercício nestas
unidades é feita por compressão ou por estruturas dotadas de pesos que comprimem os reservatórios.
Como alternativa pode-se adoptar o armazenamento a média (cerca de 40 kg/cm2) ou alta pressão (200-300 kg/cm2), pouco aplicadas por razões de custo.
A compressão do gás implica perda de energia, que é da ordem de 10% no caso das médias pressões e de 20% nas altas pressões.
Para melhorar o rendimento da compressão e para evitar a corrosão é geralmente vantajoso purificar o gás eliminando a água, o anidrido carbónico e o sulfídrico.
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Gasómetros
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Sistemas a baixa pressão
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Gasómetro flutuante
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Tratamento do biogás
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Separação por membranas
3 de Outubro de 2014
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Biometano ou gás verde
3 de Outubro de 2014
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Biometano na europa
3 de Outubro de 2014
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3 de Outubro de 2014
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3 de Outubro de 2014
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Recuperação de CO2
3 de Outubro de 2014
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Tecnologias existentes
3 de Outubro de 2014
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3 de Outubro de 2014
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Abastecimento frotas
3 de Outubro de 2014
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Uso do Biogás
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Uso Característica Quantidade degás (m3/h)
Iluminação Lâmpada de 100 velas 0,13Lâmpada "Amanchon" 0,017
Cozinhar Queimador de 5 cm 0,330
10 cm 0,450
15 cm 0,650Por pessoa/dia 0,34-0,42
Aquecimento EsquentadorPor pessoa/m3/h 0,34-0,42Esquentador 125 kCal/mm 1,7Esquentador 320 kCal/mm 4,2Caldeira para 200 l 0,3Caldeira para 200 l comelevação até 85 C
2,5
Caldeira (n = 0,15) 10 000kCal/h
2,3
Irradiador para aquecervolume de 100 m
1
Refrigeração Refrigerador (por 1 m2 deparede)
0,008
Incubador Por m3 de ar 0,05 -0,07
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Os principais dispositivos para
uso do Biogas
Microturbinas
Fuel Cells
Motores de C.I.
Turbinas a Gas
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Queima do Biogás - Emissões
Item
Tocha
Motor de C.I.
Turbina a Gás
Micro- Turbina
Fuel Cells
Heat Rate (Btu/kwhr)
NA
10-11,000
10-12,000
12-13,000
9-10,000
NOx lb/MMBtu
0.05
0.22
0.07
0.02
0.0005
CO lb/MMBtu
0.19
0.67
0.10
0.10
0.002
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Queimadores biogás em excesso
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Desenvolvimento do biogás
Benefícios de produção de Electricidade em áreas
isoladas
Benefícios Ambientais
Redução da poluição do solo
Redução das emsissões de metano
Redução das emsissões de Nox em quantidade dependente do dispositivo
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Comparação biocombustíveis
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Biometano
Portugal tem revelado pouco interesse no
biometano, e encontra-se no conjunto de
nações que revelam relutância em aplicar as
prescrições da directiva 2009/28/CE.
O Plano nacional de acção para as energias
renováveis, tem vindo a reconhecer a
integração do biogás nas redes de gás natural,
mas ainda não definiu as regras que
possibilitem essa operação (tarifário e
condições técnicas) para a injecção do
biometano nas redes de gás natural.
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Fomenta a produção e utilização do biogás e pode favorecer a recolha do biogás de aterros.
Valoriza um produto endógeno.
Cria uma nova área de negócio para as empresas proponentes.
Permite desenvolver de tecnologias de tratamento do biogás.
Acompanhar os países mais avançados, que já aplicam esta prática.
Desenvolver conhecimentos, tecnologias e inovação numa área em fase de evolução.
Cumprir a regulamentação da EU.
Vantagens do Biometano
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O biometano implica um custo adicional para o contribuinte.
Por isso só se justifica se o biometano for
destinado a usos de alta eficiência –Cogeração com 100% do uso do calor.
Como combustível no transporte, para ajudar
a cumprir a cota dos biocombustíveis.
Financiar o biometano pode ser mais económico que financiar o etanol ou o biodiesel.
Aspectos críticos do Biometano
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Parceiros
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Portugal Italy
Germany
Denmark
Coordenador do Projecto : DLV Belgium cvba
Rijkelstraat 28, B-3550 Heusden-Zolder, Belgium
T : +32 11 60 90 60 F: +32 11 60 90 69