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BioProdução
de
Energia
1
Relatório do Projecto FEUP
BioProdução de Energia
21 de Outubro de 2010
Mestrado Integrado em Engenharia Química
Coordenadora: Dra. Lúcia Maria da Silveira Santos Supervisora: Dra. Alexandra Rodrigues Pinto Monitora: Dra. Vânia Sofia Brochado de Oliveira Equipa: QUI605 Autores: Álvaro Manuel Coutinho Soares Ana Cláudia Carvalho Marques Ana Isabel Gabriel Pinto Ana Isabel Magalhães Fumega dos Santos Ana Isabel Teixeira Martins de Carvalho Inês Figueiredo Carviçais
2
No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP, foi-nos proposta a realização
deste relatório, onde abordamos o tema “BioProdução de Energia”.
Debruçámo-nos, essencialmente, sobre os métodos de obtenção deste tipo de
energias, bem como as suas vantagens e desvantagens. O tratamento de águas residuais
foi também alvo de pesquisa, uma vez que os subprodutos provenientes deste processo,
podem, posteriormente, ser utilizados para produção energética. Realçamos ainda a
possibilidade de um eventual desenvolvimento deste ramo de produção energética.
Assim, é importante termos em mente que ao optarmos por estes tipos de
obtenção de energia, contribuímos para a redução da poluição e para a preservação do
nosso planeta.
Resumo do Trabalho
3
BioProdução de energia
Energias Renováveis
Biomassa
Biocombustíveis
Células de Combustível
Palavras – Chave
4
Para a realização deste trabalho, contámos com a ajuda e disponibilidade da nossa
monitora Dra. Vânia Oliveira, à qual gostaríamos desde já agradecer. Queremos ainda
mostrar a nossa gratidão à coordenadora do Projecto, Dra. Lúcia Santos, e à nossa
supervisora Dra. Alexandra Pinto pela oportunidade de abordar este tema e, assim,
aprofundar os nossos conhecimentos nesta área.
Agradecimentos
5
CCA – Células de combustível alcalinas
CCAF – Células de combustível de ácido fosfórico
CCCF – Células de combustível de carbonato fundido
CCM – Células de combustível microbianas
CCMPP – Células de combustível com membrana de permuta protónica
CCOS – Células de combustível de óxido sólido
CH4 – Molécula de metano
CO2 – Molécula de dióxido de carbono
GEE – Gases com efeito de estufa
H2O – Molécula de água
KOH – Molécula de hidróxido de potássio
O2 – Molécula de oxigénio
Lista de Siglas
6
Figura 1: Representação esquemática da produção de energia eléctrica através de
Biogás…………………………………………………………………………..Página 11
Figura 2: Representação esquemática do funcionamento de uma CCMPP…….Página 15
Lista de Figuras
7
1. Introdução ....................................................................................................... 8
2. Contextualização Sócio-Económica ............................................................... 9
3. BioProdução de Energia ..................................................................................10
3.1. Biocombustíveis ...................................................................................... 10
3.1.1. Biogás ............................................................................................ 10
3.1.2. Biodiesel ........................................................................................ 12
3.1.3. Bioetanol ........................................................................................ 13
3.1.4. Células de Combustível ................................................................. 13
4. Conclusão ....................................................................................................... 19
5. Bibliografia .................................................................................................... 20
Índice
8
A sociedade actual caracteriza-se por ser uma sociedade de consumo. Todas as
actividades sócio-económicas, desde as grandes indústrias às tarefas mais simples do
nosso dia-a-dia, partilham um elo entre si – a necessidade absoluta de energia eléctrica.
Actualmente, pensar numa vida sem electricidade é um dos maiores infortúnios
que poderíamos sofrer.
Esta dependência iniciou-se no século XVIII, aquando a Revolução Industrial
com o uso de carvão, fonte de energia não renovável. O avanço científico e tecnológico
permitiu a descoberta de novos combustíveis fósseis e novas aplicações.
Posteriormente, este tipo de obtenção de energia enraizou-se em todos os sectores de
actividade humana.
Deste uso excessivo, surgiram graves e preocupantes impactos, como a poluição,
a destruição da camada de ozono e o aquecimento global. Com vista a resolver estes
problemas e salvar atempadamente o nosso planeta, habitat natural de todos os seres
vivos, criaram-se alternativas ao uso dos combustíveis fósseis, alternativas essas limpas,
menos poluentes e, consequentemente, mais verdes. Assim, surgiu o interesse pelo
aproveitamento das energias renováveis, que rapidamente se desenvolveram e passaram
a ser frequentemente utilizadas. De entre essas soluções, destacam-se os
biocombustíveis, que, tal como a palavra indica, originam energia a partir de matéria
orgânica. Alguns exemplos deste tipo de combustíveis são o biogás, o bioetanol e o
biodiesel.
1. Introdução
9
A sociedade de hoje em dia, devido ao aumento descontrolado da população e à
crescente dependência de equipamentos tecnológicos, confronta-se com uma crescente
necessidade de recursos energéticos.
Actualmente, as fontes energéticas mais utilizadas para a obtenção de energia
eléctrica são os combustíveis fosseis, como o carvão, o petróleo e o gás natural, contudo
as suas reservas naturais são finitas, tornando-os assim um recurso não renovável. Para
além desta desvantagem, a libertação de gases poluentes para a atmosfera resultantes da
queima destes combustíveis, como o dióxido de carbono (1. CH4 +2 O2 → CO2 +2 H2O)
é também um dos graves problemas que a sociedade actual enfrenta. Tal acontece, uma
vez que GEE contribuem para o aumento do aquecimento global, que por sua vez
provoca alterações climáticas, destabilizando o equilíbrio da mãe Natureza. [1]
Assim, cientistas de todo o Mundo sentem-se na obrigação de se debruçarem
sobre novos métodos de obtenção de energia que possam um dia vir a substituir por
completo a energia actualmente produzida pelos combustíveis fósseis, energia essa, que
na tentativa de minimizar os impactos ambientais, deverá ser o mais limpa possível.
Ainda assim, é importante ter em atenção que seria vantajoso para a população mundial
que estes novos recursos energéticos fossem renováveis, dado que deste modo a
necessidade de energia eléctrica estaria a longo prazo assegurada.
Apesar de serem processos, cujo custo de implementação é elevado, devido ao
reduzido investimento e desenvolvimento nesta área, promovem a exploração local,
diminuindo por sua vez os custos de distribuição e importação da energia. [2,3]
2. Contextualização Sócio-económica
10
A bioprodução de energia, tal como o próprio nome indica, é a obtenção de
energia através de matéria biológica ou resultante da actividade de organismos. Assim
sendo, todo este processo se inicia no que designamos habitualmente por biomassa.
Fazem parte da biomassa os resíduos biodegradáveis urbanos e os subprodutos
derivados das várias áreas de activada humana, como da pecuária e da agricultura.
Para além de se obter biocombustíveis através da degradação da biomassa, esta
também pode ser utilizada directamente como combustível. Em ambas as situações,
gera-se energia sob a forma de calor, que pode servir como fonte de aquecimento, e,
consequentemente, dar origem a energia eléctrica através da formação de vapor de água,
que irá accionar as turbinas das centrais termoeléctricas.
Embora a queima deste tipo de recursos resulte na libertação de dióxido de
carbono, pode-se assumir que o balanço de emissões de CO2 é nulo, uma vez que este
composto fora outrora absorvido pelas plantas que deram origem ao combustível,
durante o processo fotossintético. Além disso, este tipo de gases é o produto natural da
decomposição da biomassa, e uma vez aplicados na produção de electricidade,
assumem-se menos poluentes. [4]
Os biocombustiveis por si só ou misturados com combustíveis fósseis podem ser
utilizados em veículos. Tal como referido anteriormente, este tipo de combustíveis tem a
vantagem de diminuir as emissões de GEE e, consequentemente, a diminuição do
aquecimento global.
São alguns exemplos de biocombustíveis: o biogás, o biodiesel e o bioetanol. [5]
Este biocombustível é composto por metano (50 a 70%), dióxido de carbono (25
a 50%), hidrogénio (1 a 2%), gás sulfídrico (0 a 3%), oxigénio (0 a 2%), amoníaco (0 a
1%) e azoto (0 a 7%), podendo ser obtido pela degradação biológica anaeróbica dos
3.1. Biocombustíveis
3. BioProdução de Energia
3.1.1. Biogás
11
resíduos orgânicos, quer de forma natural, por meio da acção de bactérias, quer de
forma artificial, utilizando um biodigestor anaeróbio.
O processo de produção de biogás pode ser dividido em três etapas: a hidrólise
enzimática, a acidificação e a metanogénese. A hidrólise enzimática, designada também
por fermentação, consiste na redução de moléculas complexas em moléculas mais
simples utilizando bactérias fermentativas e hidrolíticas, ou seja, ocorre quebra de
polímeros, transformando-os em compostos menores. As proteínas, os lípidos e os
hidratos de carbono resultantes são, durante a fase de acidificação, transformados em
ácido acético, hidrogénio e dióxido de carbono. Por último, estes compostos são
convertidos em metano e dióxido de carbono, no que se designa por metanogénese.
Para a obtenção de biogás são necessárias unidades processuais especializadas,
tal como representado na figura 1. Nestas, o processo inicia-se com a deposição de
excrementos e matéria vegetal num tanque colector. Por vezes, se necessário adiciona-se
água à mistura para facilitar a transição desta para o biodigestor. Neste, a mistura é
homogeneizada pelas pás existentes no reactor de aço inoxidável. Ao longo deste
processo, a temperatura do biodigestor é mantida, por meio de um sistema de tubagens
que o envolve, permitindo assim uma acção bacteriológica ininterrupta que garante uma
produção contínua de biogás. Contudo, existe uma constante renovação da mistura,
sendo que os resíduos são removidos da base do reactor e a nova matéria é introduzida
acima do nível da mistura que se encontra em transformação. Dada a baixa densidade
do biogás, este é capturado no topo do biodigestor por uma membrana expansível e
extraído para, posteriormente, ser utilizado. Se se pretender obter energia eléctrica, o
biogás é fornecido a um gerador que o transforma. Durante esta reacção é libertado
calor, que é utilizado na manutenção da temperatura interna do biodigestor.
Fig. 1- Representação esquemática da produção de energia eléctrica através de Biogás.
12
Durante o processo de obtenção do biogás, a presença de determinadas
substâncias, nomeadamente a água e o dióxido de carbono, prejudicam a sua queima e,
consequentemente, a eficiência do processo. Para além disso, a integridade das unidades
processuais, como o motor do gerador, são afectadas pelo poder corrosivo associado ao
gás sulfídrico. [6-9]
O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis, que
pode ser obtido por diferentes processos: o cracking ou a transesterificação. O primeiro
processo, quebra as ligações das moléculas complexas, transformando-as em moléculas
mais simples. O segundo processo, é, actualmente, o mais utilizado e consiste na
reacção química de óleos vegetais ou gorduras animais com o etanol ou o metanol, na
qual se extrai a glicerina do óleo. Esta pode ser usada mais tarde na fabricação de
sabonetes e de produtos cosméticos. É possível produzir biodiesel a partir de óleos
usados, gorduras animais e de dezenas de espécies vegetais tais como: o girassol, a soja,
a palma e o milho.
De uma maneira geral, o biodiesel é aditivo do diesel tradicional, contudo pode
ser utilizado puro.
Nos dias de hoje, em Portugal, há muitas terras aráveis que podem produzir uma
enorme variedade de oleaginosas, principalmente nos solos menos produtivos, com um
baixo custo de produção.
Quando usado em veículos, para além de não ser necessário efectuar nenhuma
adaptação, contribui para o aumento da vida útil do motor, dado que é um óptimo
lubrificante.
O transporte e armazenamento deste composto é relativamente fácil, dado que o
risco de explosão é baixo, pois precisa de uma fonte de calor acima de 150 Cº para
entrar em ignição.
Este combustível contribui para a diminuição da poluição e do efeito estufa, uma
vez que reduz a emissão de gases provenientes da queima de combustíveis fósseis.
A principal desvantagem da produção do biodiesel é o aumento da
desflorestação para o cultivo de plantas oleaginosas, diminuindo a biodiversidade do
3.1.2. Biodiesel
13
planeta. [10]
O bioetanol é um combustível renovável produzido a partir de resíduos de
matéria orgânica, constituída essencialmente por celulose, tais como cana-de-açúcar e
milho.
O processo de fabricação do etanol, a partir de resíduos vegetais, é dividido em
quatro etapas. A primeira etapa do processo é o pré-tratamento ácido do bagaço da cana,
onde ocorre quebra da estrutura cristalina da fibra do bagaço e recuperação de açúcares
mais fáceis de hidrolisar, por hidrólise ácida. Na segunda etapa, designada por
deslignificação, a lenhina, responsável pela protecção da celulose, é removida, de modo
a permitir a acção microbiana no processo de fermentação.
Destas duas etapas, resulta um líquido rico em açúcares, que numa terceira fase é
fermentado pela levedura Pichia stipitis. O sólido proveniente da deslignificação, que é
rico em celulose, é também, nesta fase, submetido a um processo enzimático de
sacarificação, onde ocorre uma transformação de açúcares e, posteriormente, uma
fermentação pela Sacharomyces cerevisiae, a mesma levedura utilizada no fabrico do
pão.
Na última fase, os produtos resultantes das fermentações são destilados. O
produto desta destilação é o etanol, que possui as mesmas características do etanol
obtido a partir de matéria fóssil.
Tal como todos os biocombustíveis, também o bioetanol é uma fonte de energia
renovável e contribui para uma diminuição 75% das emissões de gases poluentes
relativamente à produção de energia através recursos fósseis. [11, 12]
Uma célula de combustível microbiana é uma célula electroquímica capaz de
gerar electricidade a partir da matéria orgânica presente nas águas residuais.
Na ETAR, estas águas passam por 4 etapas: o pré-tratamento, a decantação
primária, o tratamento biológico e a decantação secundária. Durante o pré-tratamento,
os sólidos de maiores dimensões são removidos por um processo designado gradagem.
3.1.4. Células de Combustível
3.1.3. Bioetanol
14
De seguida, são retiradas as gorduras e as areias utilizando desarenadores e
desengorduradores. Assim, a primeira etapa contribui para a preservação dos
equipamentos e facilita o tratamento biológico, uma vez que são retiradas as gorduras.
Por conseguinte, estas águas são submetidas a um processo físico e/ou químico
de decantação, onde partículas em suspensão são extraídas. Restando apenas na água
60% da matéria orgânica, esta segue para os reactores biológicos, onde se processa a sua
degradação, pela acção de bactérias aeróbias, que exigem a presença de oxigénio. Para
manter os níveis de oxigénio constantes, este processo ocorre em tanques de arejamento.
Por último, dá-se a decantação secundária onde são removidas as restantes
impurezas sólidas.
Todos os resíduos extraídos durante o tratamento de águas são enviados para
uma “linha de lamas”, que compreende 3 fases: espessamento, digestão e desidratação.
Em primeira instância, estas lamas passam por espessadores gravíticos, onde a
matéria é engrossada. De seguida, a uma temperatura constante, dá-se o processo de
digestão, onde os gases são removidos e armazenados num gasómetro. Estes gases dão
origem a um subproduto designado por biogás. Por fim as lamas são desidratadas,
através de 3 filtros banda, que retiram grande parte da restante água. Habitualmente, é
adicionado, durante esta fase, um produto químico que aumentará a eficiência desta
fase.
No final do tratamento, as lamas têm uma consistência semelhante à da
plasticina. Estas lamas tratadas na ETAR são utilizadas na agricultura, como adubo
orgânico, e também servem de alimento para a comunidade de bactérias que dará
origem ao bio-hidrogénio, posteriormente utilizado para alimentar células de
combustível.
Os principais componentes de uma célula combustível são o ânodo, eléctrodo
negativo; o cátodo, eléctrodo positivo; e um electrólito, para transportar os electrões.
Através das reacções de oxidação-redução que ocorrem nos eléctrodos origina-se uma
corrente eléctrica contínua, com base na transferência de electrões e protões entre o
ânodo e o cátodo. Ou seja, a partir de combustíveis como o hidrogénio e o oxigénio é
possível produzir energia, dado que estes são reduzido e oxidado, respectivamente.
2. Ânodo: H2 (g) → 2H+ (aq) + 2e-
3. Cátodo: 1/2O2 (g) + 2H+ (aq) + 2e- → H2O (g)
15
Fig. 2 – Representação esquemática do funcionamento de uma CCMPP.
Existem diferentes tipos de células de combustível: células de combustível com
membrana de permuta protónica, células de combustível alcalinas, células de
combustível de ácido fosfórico, células de combustível de carbonato fundido, células de
combustível de óxido sólido e células de combustível microbianas. [13,14]
As CCMPP possuem uma membrana de permuta iónica que conduz os protões
do ânodo para o cátodo de forma eficiente, dada a sua boa condutibilidade. Estas células
utilizam como combustível hidrogénio de elevado grau de pureza. É importante ter em
conta dois factores: temperatura inferior a 100ºC e presença de água no estado líquido,
que permita à membrana a constante hidratação, essencial ao processo de produção de
energia. Contudo, para baixas temperaturas, a reacção em causa fica comprometida, o
que obriga a recorrer a catalisadores, como a platina, e a eléctrodos sofisticados que
permitam que o processo se torne eficaz.
Existem diversas variantes das CCMPP, que utilizam combustíveis alternativos,
como o metanol e o etanol, que previamente os convertem em hidrogénio.
O facto de se utilizar, como único líquido, a água, evita elevados níveis de
corrosão. As CCA, a temperaturas elevadas, utilizam um electrólito de uma solução
concentrada de KOH, e, para temperaturas inferiores a 120ºC, utilizam uma solução de
menor concentração. As baixas temperaturas, tal como anteriormente referido,
constituem um problema, uma vez que afecta a velocidade da reacção. Porém este é
16
superado com a utilização de eléctrodos porosos e pressões elevadas.
Comparativamente aos electrólitos ácidos, os electrólitos alcalinos reduzem mais
rapidamente o oxigénio no cátodo. Contudo, o uso de electrólitos alcalinos, diminui o
rendimento do processo, visto que, com o passar do tempo, estes dissolvem o CO2.
As CCAF utilizam como electrólito o ácido fosfórico, cuja estabilidade é
elevada quando comparada com outros ácidos. Para além disso, as CCAF conseguem
produzir energia a temperaturas elevadas, o que constitui uma vantagem .
Porém, durante o processo, existe dificuldade em armazenar o hidrogénio. De
forma a solucionar este problema, é necessário o investimento em equipamento mais
complexo que transforme o metano em hidrogénio e dióxido de carbono, o que acarreta
custos consideráveis. Contudo, os custos de manutenção são reduzidos e o processo de
obtenção de energia é seguro.
As CCCF utilizam como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos,
que formam um sal altamente condutor de iões, a temperaturas que se encontram na
faixa dos 600 aos 700ºC.
As CCOS possuem velocidades de reacção elevadas, sem a utilização de
catalisadores, devido às temperaturas a que opera, que variam entre os 600 e os 1000ºC.
Como electrólito utiliza-se um óxido de metal sólido não poroso.
Possuem desvantagens como por exemplo: o elevado custo de fabrico e a
necessidade de equipamentos extra para que a célula produza energia eléctrica.
Deste modo, verifica-se que apenas as CCMPP utilizam um produto derivado da
degradação de matéria orgânica como o hidrogénio, proveniente da acção de bactérias
sobre as lamas, resultantes do tratamento de águas residuais. [15-18]
O princípio de funcionamento das CCM é a libertação de electrões, durante a
degradação da matéria orgânica, ou seja, durante a sua oxidação. Este processo pode ser
traduzido pela seguinte equação:
Estas células são constituídas por um ânodo, que se encontra inserido no bio
reactor; um cátodo; uma membrana selectiva de H+, que separa os compartimentos onde
se encontram cada um dos eléctrodos; e um circuito eléctrico externo, que fecha o
circuito entre o cátodo e o ânodo. É também de extrema importância referir que ambos
17
os eléctrodos se encontram imersos em soluções aquosas para facilitar o transporte dos
electrões.
A presença do O2 pode comprometer o processo de obtenção de energia, uma
vez que se pode combinar prematuramente com o H+, produzido no ânodo. Assim, é
importante que o processo se dê em condições anaeróbias, para que os H+ livres
atravessem a membrana selectiva assegurando a electroneutralidade do electrólito.
Por outro lado, as reacções que ocorrem no cátodo apenas se dão em condições
de aerobiose, uma vez que se tem como objectivo a formação de moléculas de água,
como podemos perceber ao observar a seguinte figura:
Deste modo, todo o processo de obtenção de energia a partir das CCM se resume
na seguinte equação:
Apesar do seu potencial desenvolvimento, apresentam actualmente algumas
desvantagens. A variação da temperatura pode afectar o metabolismo dos
microrganismos e diminuir a produção de energia eléctrica. Para além disso, pode
apresentar o inconveniente de se tornar dispendioso e poluente, se se pretender utilizar
mediadores electroquímicos para aproveitar os electrões resultantes da actividade dos
microrganismos, que se encontram dispersos em solução.
18
Assim, as CCM sem mediadores electroquímicos são a escolha mais frequente.
Nestas células os microrganismos formam o que se chama de biofilme constituído por
microrganismos, resíduos metabólicos que envolvem o ânodo.
Uma célula de combustível é capaz de: converter mais de 90% da energia
contida num combustível em energia eléctrica e calor e diminuir significativamente o
ruído associado aos sistemas convencionais de produção de energia. Para além de tudo
isto, apresentam um elevado potencial de desenvolvimento, dado o interesse mundial
nesta temática. [19]
19
Bioprodução de energia: uma fonte renovável e menos poluente. Este é o actual
cenário com o qual nos deparamos e que abre caminho a um futuro mais respeitador do
ambiente. Assim, a necessidade de preservar o nosso planeta, um bem considerado já
adquirido, conduz à constante procura de recursos alternativos, tais como os
biocombustíveis, que apresentam demasiadas vantagens para serem ignorados.
Um futuro mais verde, não deve ser uma opção, mas sim uma obrigação perante
a realidade poluente com que nos deparamos. Chegou o momento de nos redimirmos
dos nossos erros, sendo urgente substituir a mais usual forma de obtenção de energia, os
combustíveis fósseis, e optar, quem sabe, pela bioprodução de energia.
Usar a biomassa como fonte de obtenção de energia é o futuro do nosso planeta,
dado que assegura a total dependência energética do Homem.
Com este trabalho, pretendemos reforçar a importância da obtenção de energia a
partir de matéria orgânica e evidenciar as suas vantagens.
4. Conclusão
20
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[19] Carvalho, Tiago. 2009. Células de Combustível Microbianas. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
