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Geração de energia elétrica a partir de biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando
microturbina a gás Vanessa Pecora Garcilasso
Edgardo Vescovo
São Paulo, 29 de Março de 2012
4º Congresso de Cogeração de Energia
Biogás
Conjunto de gases formado na degradação da
matéria orgânica em meio anaeróbio
Digestão Anaeróbia: Processo fermentativo, sem a presença de oxigênio, em que a matéria orgânica é degradada a compostos mais
simples, formando, basicamente, metano e gás carbônico.
Composição Média do Biogás
Fonte: WEREKO-BROBBY; HAGEN, 2000
COMPONENTE QUANTIDADE Metano 60% Dióxido de Carbono 35% Outros Gases – Hidrogênio, Nitrogênio, Oxigênio, Amônia, Ácido Sulfídrico, Aminas Voláteis e Monóxido de Carbono
5%
Metano: cerca de 21 vezes mais impactante que o CO2
Geração de energia com biogás de tratamento de efluentes
Tecnologia disponível comercialmente
• Turbinas a gás para biogás: Microturbinas (30 kW – 100
kW): • Rendimento: 27% • Emissões de N0x : máx
de 9 ppm (Capstone)
Microturbinas para biogás Capstone Turbines
Microturbinas a Gás
Controlador de potência
Microturbina
Entrada de ar
Exaustão
Painel de controle
0-30; 0-60 kW 400-480 VAC/DC
Entrada de combustível
Microturbinas a Gás no Mundo • Burnbanks Landfill (Burbanks
Department of Water and Power) – 10 turbinas de 30 kW = 300
kW (gás de aterro) – Venda de energia para a rede – US$ 550.000 – US$
1.800/kW – US$ 250.000 doado pela
California Energy Comission
Foto CENBIO 2001
• ETE San Diego - San Elijo Joint Powers Authority – 3 turbinas de 30 kW
(demanda de até 550 kW – pico)
– Biogás = 2.150 m3/dia – Esgoto = 140 l/s – Custo total =US$ 240.000
(2.666 US$/kW) – Doações = US$ 105.000:
• Califórnia Energy Comission = US$ 25.000
• Public Utility Comission = US$ 80.000
Microturbinas a Gás no Mundo
Potência Rendimento Emissões de NOx
Motores ciclo Otto 4 kW – 1,54 MW 30% – 40% 250 ppm – 3.000 ppm
Microturbinas 30 kW – 1 MW 24% - 28% < 9 ppm
Fonte: CENBIO, 2003
Comparação das emissões entre as tecnologias de conversão – pequeno porte
Dados levantados projeto Enerbiog-Finep
Comparação das Emissões
Microturbinas a Gás
Vantagens As microturbinas apresentam os seguintes benefícios: - Baixos níveis de ruídos e vibrações - Flexibilidade de combustível, dentre eles o biogás - Dimensões reduzidas e simplicidade de instalação, podendo ser instalada em locais cobertos ou ao ar livre -Emissões de NOx são menores que 9 ppm nas microturbinas de baixa potência (30 a 100 kW) e podem chegar a 100 ppm nas de maior potência
- Baixo custo de operação e manutenção: 3 a 10 US$/MWh / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh
Microturbinas a Gás
Desvantagens - Equipamentos importados: investimento inicial elevado. As potências hoje disponíveis no mercado variam de 30 kW a 1,0 MW - Baixo rendimento: aproximadamente 27%. Porém, quando utilizadas em instalações de cogeração, sua eficiência pode chegar a mais de 80% - Alto custo de instalação (valores não incluem sistema de tratamento e compressão do biogás): 1.000 – 1.500 US$/kW / Comparação: motor ciclo Otto: 7 a 20 US$/MWh - Necessidade de um rígido sistema de limpeza do biogás e remodelação da microturbina para sua queima, já que o biogás possui baixo poder calorífico
• Custo do equipamento (30 kW) para utilização com biogás: ~ R$ 140.000,00
• Custo mensal de manutenção: ~ R$ 5.000,00 (incluindo os serviços e as peças de reposição para 10 anos de operação do equipamento)
• Custo do sistema de tratamento do biogás: ~ R$ 70.000,00
• Custo médio da energia elétrica: 0,40 R$/kWh
• Considerando o custo acima para produção de energia de 219.000 kWh e economia anual de R$ 91.104,00, tem-se retorno de investimento em aproximadamente 6 anos (considerando os custos de manutenção)
Dados enviados pela Capstone em Agosto de 2011
Microturbinas a Gás
“Geração de Energia Elétrica a partir do
Biogás de Tratamento de Esgoto da ETE da SABESP em Barueri”
ETE da Sabesp de Barueri
• Dados Técnicos (2005):
– Quantidade de Esgoto Tratado = 7,0 m3/s – Produção Média de Biogás = 24.000 m3/dia – Demanda energética da ETE = 9 MW – Consumo de Energia Elétrica = 5.584 MWh/mês (2005) – Projeto FINEP - Testes comparativos das tecnologias
– adaptações dos sistemas de limpeza do gás – levantamento dos dados técnicos – levantamento de custos operacionais e de manutenção
– Equipamentos instalados (projeto) • Microturbina: 30 kW • Motor ciclo Otto: 30 kW
TECNOLOGIA EMPREGADA
Válvula Esfera 1
Secador por Refrigeração 2 Compressor
de Palhetas
Filtro de Carvão Ativado
Filtro Coalescente 1
Manômetro
Sensor de Temperatura 1
Plug Reserva 1
Sensor de Pressão 1
Válvula Esfera 2
Válvulas Esfera 3 e 4
Filtro Coalescente 2
Plug Reserva 3
Plug Reserva 2
Separador de Líquido com Dreno
Sensor de Temperatura 2
Sensor de Pressão 2
Filtro Coalescente 3
Filtro de Gás
Válvula Reguladora de
Pressão
Válvulas Esfera 5 e 6
Medidor de Vazão
Plug Reserva 4 e 5
Sensor de Pressão 3
Sensor de Temperatura 3
Tubulação de Aço Inox Rígida
Tubulação de Aço Inox Flexível
Saída do Gás de Exaustão
Microturbina Capstone
Secador por Refrigeração 1
Comparação dos resultados das análises do biogás com as especificações definidas pelo
fabricante Capstone
Variante Unidade Capstone Barueri Observações
O2 % Volume 0 – 10 0,00 - 6,30 Aprovado
N2 % Volume 0 – 50 0,22 - 23,8 Aprovado
CO2 % Volume 0 – 50 25,0 - 33,3 Aprovado
CH4 % Volume 30 – 100 44,1 - 69,94 Aprovado
H2S ppm em vol. 0 – 70.000 19 - 230 Aprovado
H2O (P.O.) % Volume 0 – 5 0,1 - 2,8 Aprovado
P.C.I. kJ/m3 13.800 – 27.605 14.715 - 23.852 Aprovado
Fonte: CENBIO, 2003
Investimentos/custos operacionais
Dados levantados
•Geração com Microturbina de 30 kW:
> Energia elétrica (média) gerada : 25 kWh > Energia elétrica líquida entregue à rede (perdas – compressor e secadores): 19,5 kWh > Equipamentos: 151.046,40 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 96.806,00 (R$) > Relação custo por kW instalado: 0,32 R$/kWh
• Geração com Motor Ciclo Otto de 30 kW:
> Energia elétrica (média) gerada : 25 kWh > Energia elétrica líquida entregue à rede: 25 kWh > Equipamentos: 68.000,00 (R$) > Custo de O&M para 40.000 h (vida útil): 25.816,00 (R$) > Relação custo por kW instalado: 0,10 R$/kWh
Viabilidade Econômica da Utilização de Biogás
• Geração de parte da energia consumida nos processos (diminuição da energia comprada da concessionária local) • Além da geração de energia elétrica, o biogás pode ser utilizado para a geração de energia térmica e o calor gerado pode ser utilizado no aquecimento dos próprios biodigestores (cogeração) • Venda de excedente de energia – viabilidade depende da tarifa e do preço de venda à concessionária • Obtenção e comercialização de créditos de carbono – impacto reduzido na economicidade do processo (matriz elétrica brasileira com base em hidroeletricidade)