Planta de cogeração de energia da ETE Rio Preto

Transcrição

PREFEITURA DE SÃO JOSÉ DO RIO PRETO
ESTADO DE SÃO PAULO
SERVIÇO MUNICIPAL AUTÔNOMO DE ÁGUA E ESGOTO – SEMAE
AUTARQUIA MUNICIPAL – CNPJ nº 04.691.691/0001-78
ESTUDO TÉCNICO DE VIABILIDADE
COGERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE BIOGÁS E DO LODO
PROVENIENTE DE REATORES ANAERÓBIOS DA ETE RIO PRETO
Equipe técnica:
Eng. Waldo Villani Jr.
Eng. Giovanni Rocha Martins
Eng. Renato Takahashi
Eng. Jefferson Celso de Agostinho
Eng. Márcio Henrique Diniz Marques
Eng. Gustavo Blaziza Borghi
Químico Rafael Nava Miceli
São José do Rio Preto, Setembro de 2011
SEMAE. – RUA ANTONIO DE GODOY Nº 2181 – FONE/FAX 3211-8100 CEP. 15061 – 020
SÃO JOSÉ DO RIO PRETO – SP
1
Conteúdo
1 – Motivação ............................................................................................................................ 3
2 – Características Construtivas e Operacionais da ETE Rio Preto ................................................ 5
2.1 – Histórico de implantação ...................................................................................................................................... 5
2.2– Características Construtivas do Sistema de Tratamento ...................................................................................... 5
2.3– Custos operacionais ............................................................................................................................................... 9
2.4 - Histórico de falhas e faltas de energia elétrica ................................................................................................... 10
2.5– Demandas e consumo de energia elétrica .......................................................................................................... 13
2.5 – Produção de biogás na ETE Rio Preto ................................................................................................................. 18
2.6– Volumes de resíduos sólidos e biomassa gerada ................................................................................................ 19
3 – Geração própria de energia elétrica para atendimento às emergências. .............................. 21
4 – Cogeração: Conceito, Vantagens e Desvantagens ................................................................ 22
4.1- Cogeração ............................................................................................................................................................. 22
4.2- Atualidade ............................................................................................................................................................. 23
4.3- Tecnologias ........................................................................................................................................................... 23
4.4- Modos de operação de sistemas de cogeração ................................................................................................... 23
4.5- Tecnologias Aplicáveis .......................................................................................................................................... 25
5 – Sistemas de cogeração de energia elétrica com rejeitos da digestão anaeróbia. ................... 26
5.1- Analise da geração de energia elétrica com o Biogás ......................................................................................... 26
5.2- Analise da geração de energia elétrica com o lodo desaguado .......................................................................... 27
6.1 – Projeto básico de implantação da Planta de cogeração de Energia Eletrica .................................................... 30
6.2 – Projeções de produção de Energia para Início e Fim de Plano .......................................................................... 31
6.3 –Orçamento de custos de Implantação de Projeto de cogeração ETE Rio Preto ................................................. 33
7 – Estudos de viabilidade econômica ....................................................................................... 35
8 – Conclusões ......................................................................................................................... 41
9 – Referências ......................................................................................................................... 42
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1 – Motivação
A premissa de operação de uma ETE - Estação de Tratamento de Esgoto é o seu
funcionamento ininterrupto, visto que, o efluente aportado à planta é ininterrupto, somente
variando a vazão de chegada durante as vinte e quatro horas do dia, como também nos 365 dias
do ano.
A interrupção da operação da ETE poderá ocorrer por falta de produto para o tratamento
(interrupção do aporte de efluente por rompimento dos emissários ou interceptores); falha eletromecânica de equipamento; ou falta de energia elétrica para o acionamento destes.
Dentre as causa das falhas apontadas anteriormente, o operador do sistema deixa de ter
domínio somente ao que se refere à energia elétrica, pois, é de fornecimento de terceiro. Para
tanto, na maioria das ETE’s, são implantadas soluções de emergência para o suprimento de
energia elétrica, visando à continuidade operacional da planta. O modelo mais utilizado para esta
situação é a implantação de geradores movidos a DIESEL ou GÁS NATURAL, onde existe
disponibilidade deste combustível.
No projeto inicial da ETE Rio Preto, foi prevista a instalação de geradores movidos a diesel,
capazes de gerar até 1.500 kWh, visando às emergências. Tal solução não foi implantada à época,
pois, a Concessionária de energia elétrica optou por instalar um alimentador expresso para o
abastecimento da planta, com redundância de fonte, estimando ser suficiente para o
abastecimento regular.
Fatores externos vêm trazendo incerteza à garantia de abastecimento de energia elétrica
pela Concessionária, vez que, não raro acontecem interrupções de fornecimento programadas
para manutenção da rede, variações e quedas momentâneas de tensão, e até apagões com
algumas horas de desabastecimento, principalmente nos verões, onde, as tempestades são
comuns. Por outro lado, o sistema elétrico nacional se encontra sobrecarregado, e vez por outra, o
desabastecimento de energia elétrica ocorre de forma generalizada em uma vasta região.
Após um ano de operação da ETE pelo SeMAE, verificaram-se várias ocasiões em que o
tratamento foi interrompido, por falta de energia elétrica, e por conseqüência, ocorreram
extravasamentos do esgoto “in natura” para o rio Preto, que não causaram maiores danos porque
foram de curta duração.
Visando diminuir a vulnerabilidade do sistema, constatou-se a necessidade imediata da
retomada do plano de geração própria de energia elétrica, para atendimento das situações
emergenciais, como anteriormente proposto no plano de implantação da ETE.
A outra questão em estudo é a destinação da biomassa gerada pelo lodo digerido
proveniente da fase sólida do tratamento anaeróbio, que atualmente representa uma parcela
importante no custo operacional da planta.
3
O processo de tratamento do resíduo sólido implantado na ETE Rio Preto consiste na
desidratação do lodo digerido em decanter centrífugo para a elevação do teor de sólidos totais de
1,5% para 20% do volume; desidratação complementar em estufas agrícolas elevando o teor de
sólidos para 30% do volume; posterior disposição final em aterro sanitário. Todo o processo visa à
redução do volume de transporte e disposição do lodo digerido, visto que, dependendo da
distância em que se encontra o local de disposição final o custo do transporte onera sobremaneira
a operação.
Por outro lado, em medos do ano de 2010, o governo federal estabeleceu o Plano Nacional
de Resíduos Sólidos, através da Lei 12.305/2010, regulamentada pelo decreto 7.404/2010, que
proíbe a disposição final do lodo de ETE em aterro sanitário a partir de agosto de 2014, por ser
resíduos passíveis de reaproveitamento.
Tal situação acabou gerando mais uma fonte de preocupação aos operadores da ETE Rio
Preto, devendo ser encontrada uma forma de reaproveitamento do lodo que atenda a legislação e
não onere mais o custo operacional da planta.
Sabe-se que o lodo gerado em ETE possui características que, com tratamento adequado,
pode ser utilizado como fonte de energia, com poder calorífico semelhante à lenha. Portanto,
quando o volume é considerável, poderá esse resíduo ser utilizado como fonte de calor para
geração de energia em termoelétrica convencional, desde que o custo de implantação e operação
seja viabilizado.
E mais, com o biogás é possível produzir simultaneamente energia mecânica (em motores
de ciclo Otto) gerando energia elétrica, e energia térmica (através dos gases de escape da
combustão do motor), gerando energia térmica para a secagem complementar do lodo,
transformando-o em combustível sólido para posterior geração de energia elétrica, dentro do
conceito de cogeração de energia.
Portanto, o paradigma a ser superado visa:
1- Encontrar uma solução que atenda os preceitos técnicos do estado da arte existente para
a cogeração de energia elétrica;
2- O combustível para acionamento do sistema deverá ser os rejeitos provenientes do
tratamento anaeróbio (biogás e lodo), pois possuem elevado poder energético;
3- Não gere passivo ambiental com sua operação;
4- O custo de implantação e operação da planta de cogeração de energia elétrica seja pago
com o custo evitado para o descarte do lodo e a compra de energia elétrica da
Concessionária;
5- Atenda todo o período de vida útil da ETE, sem aporte de capital extra;
6- Gere recurso adicional para aplicação da planta de cogeração, caso necessário e da ETE
para atendimento quantitativo de final de plano.
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2 – Características Construtivas e Operacionais da ETE Rio Preto
2.1 – Histórico de implantação
A concepção do Sistema de Tratamento de Esgoto da ETE Rio Preto foi concluída e definida
no início de 2003, com a entrega pelo FIPAI-USP dos estudos de processos de tratamento e o RAP
– Relatório Ambiental Preliminar. Posteriormente, durante os anos de 2004 e 2005 foram
concluídos o projeto básico e o projeto executivo. Em seguida foi realizada a licitação para
construção da obra, sendo que o início da construção da ETE se deu em junho de 2006 e, cujas
obras civis e montagem dos equipamentos foram terminadas e entregues em dezembro de 2008.
Em janeiro de 2009 foram iniciadas as fases de comissionamentos dos equipamentos e préoperação da ETE, período em que a construtora e o SeMAE participaram, conjuntamente, das
atividades operacionais e, finalmente, em setembro de 2010 a ETE foi entregue totalmente
operacional, para o SeMAE, cabendo a este, desde então, a operação e manutenção do sistema.
Figura 1 – vista da ETE Rio Preto
2.2– Características Construtivas do Sistema de Tratamento
A ETE Rio Preto foi planejada e projetada para ser construída em duas etapas.
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A primeira etapa, com capacidade de tratamento para:
- População: 438.000 habitantes;
- Vazão média anual: 1.005 l/s;
- Vazão máxima horária: 1.650 l/s;
- Carga orgânica: 29.400 kg DBO5/dia
A segunda etapa com capacidade de tratamento para:
- Carga orgânica: 39.200 kg DBO5/dia para o fim do projeto.
Nessa configuração final, a ETE Rio Preto terá capacidade de tratar todo o esgoto coletado
da cidade até o ano 2034.
O processo de tratamento da ETE Rio Preto consiste da associação de dois tipos de
tratamentos: o anaeróbio e o aeróbio. O sistema de tratamento anaeróbio é formado por reatores
UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket ou RAFA – Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente) que
utilizam de bactérias anaeróbias para a degradação da matéria orgânica. Já o sistema aeróbio é
composto de tanques de aeração associados à decantadores secundários e estações elevatórias de
recirculação de lodo, sendo que esse tipo de sistema se utiliza da ação das bactérias aeróbias para
realizar a degradação da matéria orgânica resultante do efluente dos reatores UASB. Esse tipo de
associação permite eficiência de tratamento projetada de 92 a 95%, sendo que, a eficiência
alcançada pelo tratamento atualmente, é de 98% de remoção da carga orgânica medida em kg de
DBO5.
Atualmente, na 1ª Etapa da 1ª fase de tratamento, encontram-se implantadas as seguintes
unidades:
- Gradeamento grosseiro: completamente implantado para o final de plano, é composto por 2
grades mecanizadas que têm a função de retirar o material de maior volume, tais como garrafas
PET, madeiras, plásticos, borrachas, cerâmicas, estopas, dentre outros.
- Estação Elevatória de Esgoto Bruto: completamente implantado para final de plano, composto
por três conjuntos de moto-bombas, sendo uma de reserva, responsável pelo bombeamento de
esgoto bruto gradeado para as unidades seguintes, que então seguirá por gravidade até o final do
processo de tratamento.
- Tratamento Preliminar: completamente implantado para final de plano, composto pelo
gradeamento fino com três grades mecanizadas; uma calha Pashall para medição de vazão; dois
desarenadores. O sistema de tratamento preliminar realiza a retirada dos materiais que não
foram retidos no gradeamento grosseiro.
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- Caixa distribuidora de vazão: completamente implantada é composta por quatro comportas que
faz a distribuição da vazão para os reatores UASB´s.
- Dosagem de soda: completamente implantada, composto por dois tanques de armazenagem de
soda e duas bombas dosadoras de soda, responsável pela correção de pH do esgoto, caso este
esteja relativamente ácido (abaixo de 6,0)
- Reatores UASB: compostos por três módulos com quatro reatores cada, compõem o sistema de
tratamento anaeróbio, em que se descartam dois dos principais resíduos de uma ETE, o lodo e o
biogás.
- Queimadores de gás: completamente instalados para final de plano, realizam a queima do
biogás gerado nos reatores UASB.
- Tanques de aeração e sopradores: composto por três tanques de aeração, compõem o sistema
de tratamento aeróbio, em que se insufla ar no esgoto a partir de difusores.
- Decantadores: composto por três unidades que realizam a função de separação entre o efluente
(esgoto tratado) e o lodo aeróbio.
- Estação Elevatória de Recirculação de Lodo: com duas moto-bombas instaladas, sendo uma
reserva, desempenha o papel de recircular parte do lodo decantado para o início do tratamento
aeróbio (tanques de aeração).
- Estação Elevatória de Lodo Excedente: completamente instalada para final de plano, composta
por três moto-bombas, sendo uma reserva, bombeiam parte do lodo decantado para o início do
tratamento anaeróbio (reatores UASB), donde, após sua estabilização, será descartado para a
desidratação.
- Pós-aeração e contato: completamente instalado para final de plano, composta por dezesseis
aeradores de superfície e dosadora de cloro, etapas em que o efluente é polido, com desinfecção
(Casa de cloração) e aeração adicional, se necessária, para atendimento às legislações ambientais.
- Casa de desidratação de lodo: composta por dois decanter’s centrífugos têm a função de
produção de torta de lodo com concentração mínima 20 a 25 % de sólidos.
- ETA de serviço: desempenha a função de produzir água de serviço a partir do efluente tratado da
ETE Rio Preto.
- Estufa agrícola: com três módulos instalados, construídas para obtenção de lodo desidratado
com teores mínimos de sólidos de 30%.
Fluxograma macro do tratamento de esgoto implantado na ETE Rio Preto.
7
Figura 2 – Fluxograma macro do tratamento de esgoto ETE Rio Preto - Atual
Na 2ª etapa, dentro da 1ª fase do processo de tratamento, será necessário implantar as
seguintes unidades adicionais principais:
- Um módulo de reatores UASB;
- Um tanque de aeração com ar difuso;
- Um soprador na casa de sopradores;
- Comportas na caixa de alimentação central dos decantadores para atender mais um
decantador;
- Um decantador;
- Um decanter centrífugo.
No futuro, caso seja necessário remover nitrogênio e fósforo, será necessário implantar a
2ª fase do processo de tratamento. Além das unidades já implantadas na 2ª etapa, para a 1ª fase,
será necessário implantar as seguintes unidades adicionais:
- Quatro tanques anóxicos, cada um com 2 misturadores submersíveis;
- Um sistema para conduzir parte dos esgotos, ~ 30%, apenas peneirado e desarenado para
a entrada dos tanques anóxicos;
- Um sistema de mistura rápida e floculação química composto por uma calha Pashall, 4
floculadores, cada um com 4 câmaras em série, cada uma dotada de um agitador do tipo
de turbina axial, e uma casa de dosagem de coagulantes para dosar cloreto férrico e
polímero.
8
No "layout" da ETE foi deixado espaço para eventuais unidades futuras, além das
anteriormente previstas para:
- Implantar um processo de polimento do efluente da ETE, possivelmente formado por
filtração, caso seja necessário melhorar a eficiência da ETE em termos de remoção de SS,
DBO, nitrogênio e fósforo. Este espaço está situado ao lado da casa de cloração;
- Implantar estufas agrícolas adicionais, caso se deseje utilizar o lodo da ETE na agricultura;
- Implantar uma ETA de Reuso, caso o SeMAE queira fornecer água de reuso para usos
externos.
Figura 3 – Fluxograma macro do tratamento de esgoto ETE Rio Preto - Final de Plano
2.3– Custos operacionais
Durante todo o período de pré operação e posteriormente quando a operação da ETE
passou a cargo do SeMAE, estudaram-se os processos operacionais, de sorte que, os custos
mensais incorridos com a operação, não deveriam ultrapassar R$ 0,39/m3 de esgoto tratado.
Na Tabela III foram listados os custos operacionais da ETE, onde se verifica que o
transporte e disposição do lodo, e a Energia elétrica representam 20,93% e 22,83%,
respectivamente dos custos operacionais mensais, perfazendo um montante de R$ 420.348,99
(quatrocentos vinte mil, trezentos quarenta oito reais e noventa nove centavos).
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Tabela III – Custos operacionais ano: 2011
2.4 - Histórico de falhas e faltas de energia elétrica
Ao longo dos últimos dois anos, ocorreram várias interrupções de energia na ETE, sendo
algumas poucas de modo planejado, mas na sua maioria, não-planejados, ocasionando prejuízos à
operação da estação, principalmente no tocante aos transtornos do seu re-ligamento, mas
também provocando pequenos extravasamentos do esgoto in natura para o rio.
A ocorrência de um surto, uma queda de energia, uma pequena variação da tensão ou um
pequeno “apagão”, causa o imediato desligamento dos equipamentos, para evitar danos,
entretanto, operacionalmente, geram anomalias no sistema de controle e proteção, que
interpretam como falhas e acionam os sistemas de proteção pré-programados.
A cada interrupção de energia, a ETE Rio Preto necessita de uma seqüência de operações
objetivando recompor todos os sistemas de tratamento, pois, faz-se necessário a vistoria na
tubulação, nas válvulas de controle, equipamentos elétricos, bombas, circuitos de proteção e etc.,
enfim no sistema inteiro. Esse restabelecimento dura, em média, de 30 minutos a 1 hora,
dependendo de cada situação.
O sistema de interceptores implantados possui uma folga, no trecho entre o poço de
sucção de entrada na ETE Rio Preto e o último ponto de lançamento, visto que, esse trecho
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atualmente trabalha como um emissário, e é capaz de reservar aproximadamente 9.000 m3 de
esgoto. Como a vazão média diária, atual, é de aproximadamente 1000 l/s, esse trecho é capaz de
suportar até duas horas de fluxo de esgoto, sem que haja extravasamento para o rio Preto, no
caso de paralisação do bombeamento.
Portanto, a cada interrupção de energia, a planta fica no limite de transbordamento de
esgoto para o rio Preto, fato que se agrava nos períodos chuvosos, onde o volume de esgoto é
acrescido do volume de águas pluviais aportado clandestinamente à rede.
De acordo com relatório de faltas de energia enviado pela concessionária CERRP –
Cooperativa de Eletrificação e Desenvolvimento da Região de São José do Rio Preto, no período de
5/11/2009 a 28/08/2010 ocorreram 13 falhas de abastecimento, reconhecidas, conforme a Tabela
I abaixo.
Tabela I
Relatório de faltas de energia – fonte: CERRP
Início
Término
Duração (hh:mm:ss)
05/11/2009 08:25:14
05/11/2009 08:25:21
00:00:07
10/11/2009 21:13:23
10/11/2009 21:13:25
00:00:02
10/11/2009 21:13:31
10/11/2009 21:18:52
00:05:21
10/11/2009 21:21:50
10/11/2009 22:29:46
01:07:56
10/11/2009 22:32:46
10/11/2009 00:28:19
01:55:33
07/01/2010 16:53:39
07/01/2010 16:53:45
00:00:06
03/03/2010 09:10:29
03/03/2010 09:46:21
00:35:52
03/03/2010 10:11:02
03/03/2010 10:12:39
00:01:37
09/08/2010 04:29:03
09/08/2010 04:29:05
00:00:02
14/08/2010 21:27:11
14/08/2010 21:27:17
00:00:06
14/08/2010 21:27:23
14/08/2010 21:27:53
00:00:30
22/08/2010 08:08:44
22/08/2010 08:08:51
00:00:07
28/08/2010 16:02:27
28/08/2010 16:02:34
00:00:07
Total das 13 interrupções:
03:47:26
No período de 01/09/2010 a 28/09/211 foram registrados 42 (quarenta e dois) eventos
com oscilações e interrupções no fornecimento de energia elétrica extraído dos diários
operacional da ETE, ocasionando 1088 minutos de paralisação do tratamento. Destes, em 13
eventos ocorreram oscilações na energia elétrica, sem registro de desligamento de qualquer
equipamento; e nos outros 29 (vinte e nove) eventos ocorreram interrupções no fornecimento de
energia elétrica ou desligamento de algum equipamento. Entretanto em somente um destes
11
eventos ocorreu extravasão do esgoto in natura para o rio Preto, sem registro de danos
ambientais naquele corpo d’água, conforme relatório abaixo.
RELATÓRIO DE FALHAS DE ENERGIA ELÉTRICA NA ETE RIO PRETO
Período: 01/09/2010 a 28/09/2011
Mês
Dia
Hora
Início
Hora
término
Set. 10
6
15
16
01h56
17h30
18h27
18h07
-
Tempo total
Paralisação
(min)
0
37
0
1
18h20
19h40
80
7
15
15
21
26
4
5
8
12
20
21
21
25
3
11
12
29
31
12
18
27
28
28
2
11
17h30
00h58
08h30
10h20
08h44
12h15
17h26
18h10
09h11
04h00
21h00
22h44
16h46
23h30
09h03
08h30
18h50
11h18
21h35
18h55
05h04
00h00
4h32
06h15
17h14
18h40
09h15
09h20
N/D
N/D
00h10
N/D
N/D
19h38
05h34
07h05
17h51
70
0
45
0
36
15
0
0
0
30
0
0
0
40
0
0
10
10
0
43
30
0
0
50
37
4
3
9
10
22
26
13h20
13h10
12h11
14h30
21h35
16h50
12h20
14h40
21h50
17h07
0
0
9
10
15
17
30
12h37
18h06
329
22
12h03
12h30
25
15h06
Ago. 11
11
18h27
19h47
5
14h15
14h32
Set. 11
21
11h00
23
16h00
16h51
TEMPO TOTAL DE PARALISAÇÃO (MINUTOS)
TOTAL EVENTOS DE INTERRUPÇÕES (UN)
27
0
80
17
0
51
1088
42
Out. 10
Nov. 10
Dez. 10
Jan. 11
Fev. 11
Mar.11
Mai. 11
Jun. 11
Jul. 11
Motivo
Oscilação de energia, sem desligamento de qualquer equipamento
Queda de energia, desligamento total
Queda de energia apenas em algumas unidades: Aeração, decantador, pósaeração e ETA
Desligamento de energia para instalação de medidor - CERRP
Desligamento de energia para retirada do medidor - CERRP
Oscilação de energia / EEEB, ETA e Casa de desidratação desligaram
Oscilação de energia / EEEB e Casa de desidatração desligaram
Desligamento ETE - Manutenção da Cápua
Oscilação de energia / EEEB e Casa de desidratação desligaram
Desligamento ETE - Readequação da rede elétrica CERRP/CPFL- extravasou
durante 286 min.
Oscilação de energia / Desligada BC-01-01
Oscilação de energia / todas as unidades desligadas
Queda de energia / Ventania forte / Máx = 66,2 km/h
N/D - Não disponível
12
2.5– Demandas e consumo de energia elétrica
As demandas energéticas da planta, nas diversas modalidades operacionais são:
Tabela II
Demandas das unidades de tratamento – ETE Rio Preto
Unidade de tratamento
Demanda
Atual – oper.
Atual – oper. 2
Situação
Final de plano
Disponível
1 bomba (kW)
bombas (kW)
emergência
(kW)
(kW)
Estação Elevatória de Esgoto Bruto: 3
(kW)
1435,2
478,4
800,0
478,4
956,8
30,0
30,0
30,0
30,0
30,0
1472,0
650,0
650,0
360,0
1104,0
147,2
50,0
50,0
50,0
100,0
Estação Elevatória de Lodo e decantadores
17,6
12,0
12,0
12,0
13,0
Pós-aeração e contato: 16 aeradores
80,0
80,0
80,0
0,0
80,0
100,0
100,0
100,0
0,0
100,0
88,3
44,1
44,1
44,1
44,1
40,0
40,0
40,0
15,0
60,0
-
-
-
-
284,0
3.410,3
1.484,5
1.806,1
989,5
2771,9
bombas de recalque 650 cv acionadas por
inversores de frequência, sendo uma
reserva
Tratamento preliminar: peneiras e
desarenadores
Tanques de aeração e sopradores: 4
conjuntos de sopradores 500 cv acionados
por soft-starter, sendo um reserva
Estação Elevatória de Recirculação de Lodo:
2 bombas de recalque 100 cv acionadas por
inversor de frequência, sendo uma reserva
mecânicos 7,5 cv
Casa de desidratação de lodo: 2 decanter
centrífugos e demais equipamentos
ETA de serviço: 2 bombas de recalque 60 cv
acionadas por soft-starter, sendo uma
reserva
Outras unidades: CCO, Manutenção e
Almoxarifado, Administrativo, iluminação
externa
Ampliações futuras: floculadores,
desinfecção por ozônio (150 cv) e cogeração
de energia (168 cv)
TOTAL
13
Onde:
Demanda disponível: considerada em relação ao total de equipamentos instalados.
Demanda total utilizada: considerada em relação às atuais condições de operação da ETE Rio Preto com a utilização de 1
ou 2 bombas na EEEB.
Demanda situação emergência: considerada em relação às situações mínimas para operação da ETE Rio Preto garantindo o
limite de eficiência, com tempo limitado em 24 horas.
Final de plano: considerada em relação as condições operacionais, os equipamentos a serem instalados na ampliação da
capacidade de tratamento e a planta de cogeração de energia.
Para levantamento da demanda real da planta, que varia de acordo com a vazão de
entrada de esgoto, foram realizadas medições na subestação de entrada, cujo mínimo e máximo
de energia elétrica requerida foi de 530 kWh e de 1575 kWh, respectivamente.
Figura 3 – Medições de energia realizadas (período: 16 a 22 de Outubro de 2010)
Além da medição para análise da variação da demanda de energia elétrica durante a
semana, analisaram-se também as contas de energia da ETE Rio Preto, a fim de considerar, não só
a demanda utilizada, mas também o consumo em horário de ponta e fora de ponta e os gastos
envolvidos com a energia elétrica.
Observa-se na figura 4 que a demanda máxima utilizada na ETE Rio Preto é de 2.584 kW,
com diminuição considerável em meses em que não houve operação da bomba de recalque de
esgoto bruto complementar, como nos meses de Janeiro e Agosto de 2011. A média,
considerando o período de Setembro a Agosto de 2011, é de 1.656,25 kW.
14
Figura 4 –Demandas mensais utilizadas (ano: 2010 - 2011)
Para análises, são apresentados nas figuras 5 e 6 os históricos de consumo fora de horário de
ponta e no horário de ponta.
Figura 5 – Consumos fora do horário de ponta (ano: 2010 - 2011)
15
Figura 6 – Consumos em horário de ponta (ano: 2010 - 2011)
Na figura 7 são apresentados os gastos com energia elétrica, referente ao ano de 2010 a
2011, estratificando os principais componentes dos gastos globais. O valor médio da conta de
energia da ETE Rio Preto é em torno de R$ 210.000,00.
Figura 7 – Gastos com energia elétrica (ano: 2010 -2011)
O gráfico da figura 8 mostra como é a relação entre os gastos com consumo em horário de
ponta e o consumo fora do horário de ponta. Essa relação, para as atuais condições de operação
da ETE Rio Preto, é, em média, 0,76. Desse modo, conclui-se que, embora o horário de ponta seja
limitado a 3 horas por dia, durante 5 dias da semana, o gasto nesse horário compõe praticamente
35% do valor total dos gastos com energia elétrica.
16
Figura 8 – Relação entre horário de ponta e fora de ponta (ano: 2011)
Conforme os dados analisados, a demanda necessária para operação normal nas atuais
condições da ETE Rio Preto é entre 1500 e 1600 kWh, considerando também que alguns planos de
eficiência energética estão sendo desenvolvidos e serão futuramente implantados na ETE.
Com base no estudo das medições de energia elétrica ao longo do período analisado,
estabeleceu-se o consumo horário atual e projetou-se o consumo horário requerido para final de
plano, com base na vazão afluente à ETE e obtiveram-se os seguintes resultados:
A primeira etapa, com capacidade de tratamento para:
- Vazão média anual: 942,32 l/s;
- Vazão máxima horária: 1.204,31 l/s;
- Consumo mínimo horário: 573 kWh
- Consumo máximo horário: 1.551 kWh
- Consumo médio diário: 23.406 kWh
- Consumo médio mensal: 835.471,88 kWh
A segunda etapa com capacidade de tratamento para:
- Consumo mínimo horário: 1.029 kWh
- Consumo máximo horário: 2.786 kWh
- Consumo médio diário: 42.036 kWh
- Consumo médio mensal: 1.402.779 kWh
17
A tabela abaixo ilustra o consumo horário atual e para final de plano em função da vazão
afluente à planta:
Período
00:00
00:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
03:30
04:00
04:30
05:00
05:30
06:00
06:30
07:00
07:30
08:00
08:30
09:00
09:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
MÉDIA
00:30
01:00
01:30
02:00
02:30
03:00
03:30
04:00
04:30
05:00
05:30
06:00
06:30
07:00
07:30
08:00
08:30
09:00
09:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
13:00
13:30
14:00
14:30
15:00
15:30
16:00
16:30
17:00
17:30
18:00
18:30
19:00
19:30
20:00
20:30
21:00
21:30
22:00
22:30
23:00
23:30
00:00
TOTAL
Vazão Afluente l/s
Atual
1064,74
944,14
897,21
854,81
773,56
639,92
626,43
582,94
526,88
492,45
451,99
458,59
456,70
460,70
545,66
611,59
684,37
815,46
907,59
1008,44
1080,48
1134,96
1120,42
1203,64
1169,34
1193,47
1181,20
1204,31
1125,18
1187,79
1163,27
1148,30
1126,24
1096,24
1139,15
1119,88
1064,17
1093,49
1122,39
1140,74
1166,74
1148,15
1133,51
1103,66
1075,39
989,42
1014,90
986,10
942,43
NECESSIDADE DIÁRIA de EE kWh
Atual
907
900
893
880
859
850
820
780
720
680
600
585
573
580
585
680
720
780
820
850
859
870
900
980
1050
1098
1150
1230
1313
1350
1410
1480
1551
1480
1410
1350
1313
1230
1150
1098
1000
954
934
928
922
919
913
907
23406
Vazão Afluente l/s
Final de Plano
1.522,58
1.350,12
1.283,01
1.222,38
1.106,19
915,09
895,79
833,60
753,44
704,20
646,35
655,78
653,08
658,80
780,29
874,57
978,65
1.166,11
1.297,85
1.442,07
1.545,09
1.622,99
1.602,20
1.721,21
1.672,16
1.706,66
1.689,12
1.722,16
1.609,01
1.698,54
1.663,48
1.642,07
1.610,52
1.567,62
1.628,98
1.601,43
1.521,76
1.563,69
1.605,02
1.631,26
1.668,44
1.641,85
1.620,92
1.578,23
1.537,81
1.414,87
1.451,31
1.410,12
1.347,68
NECESSIDADE DIÁRIA de EE kWh
Final de Plano
1.628,97
1.616,40
1.603,83
1.580,48
1.542,76
1.526,60
1.472,72
1.400,88
1.293,12
1.221,28
1.077,60
1.050,66
1.029,11
1.041,68
1.050,66
1.221,28
1.293,12
1.400,88
1.472,72
1.526,60
1.542,76
1.562,52
1.616,40
1.760,08
1.885,80
1.972,01
2.065,40
2.209,08
2.358,15
2.424,60
2.532,36
2.658,08
2.785,60
2.658,08
2.532,36
2.424,60
2.358,15
2.209,08
2.065,40
1.972,01
1.796,00
1.713,38
1.677,46
1.666,69
1.655,91
1.650,52
1.639,75
1.628,97
42.036,28
2.5 – Produção de biogás na ETE Rio Preto
Através do histórico de medições das vazões do esgoto bruto afluente, a carga orgânica
removida no tratamento anaeróbio e a medição do biogás queimado nos flares, em média, a ETE
Rio Preto produz 7.800 Nm3, cuja média horária diária é de 325 Nm3/h, sendo a mínima de 155
Nm3/h as 5:00 h e a máxima de 415 Nm3/h as13:30. O grafico 9 abaixo indica a produção do
biogás em função da vazão ao longo do dia atual e o gráfico 10 a estimativa para o final de plano.
18
Figura 9- Variação de vazão de entrada de esgoto em 24 horas x Produção de Biogás (atual)
Vazão de esgoto x Produção de biogás
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Produção Biogás Nm3/h
Vazão Afluente l/s
Figura 10- Variação de vazão de entrada d esgoto em 24 horas x Produção de Biogás (final de plano)
2.6– Volumes de resíduos sólidos e biomassa gerada
Os lodos produzidos pelos reatores UASBs são encaminhados por gravidade para um
sistema de desidratação mecânica de lodos. Os UASBs na 1ª fase em final de plano produzirão até
19
775 m3/dia de lodo com concentração de sólidos de 2,5%. Na 2ª fase esta produção é estimada em
946 m3/dia.
Para desidratação mecânica dos lodos com produção de “tortas” com concentração de
sólidos mínima de 20% e captura de sólidos, mínima de 95%, foram instaladas duas centrífugas do
tipo “decanter” cada uma com capacidade para até 30 m 3/h. Estas centrífugas na 1ª fase poderão
operar até 12,9 h/dia. Na 2ª fase este período passará para 15,8 h/dia.
O lodo desidratado é transportado horizontalmente por duas roscas transportadoras (uma
para cada centrífuga), para um galpão do tipo estufa agrícola situado ao lado da casa de
desidratação. As roscas descarregam o lodo desidratado em uma ou duas caçambas do tipo roll-on
ou um ou dois caminhões basculantes, que transportam o lodo para secagem complementar em
estufas agrícolas, ou para descarte final em aterro sanitário.
Para recebimento do lodo dos UASBs no sistema de desidratação, foram instalados dois
tanques de estocagem de lodo com volume útil total da ordem de 950 m3, o suficiente para cerca
de um dia de produção de lodo em fim de plano na 2ª fase. Estes tanques são dotados com quatro
misturadores do tipo submersível, cada um com potência de 4 cv.
Do tanque de estocagem, o lodo é recalcado para as centrífugas por três conjuntos motorbomba do tipo helicoidal de velocidade variável, sendo um reserva, cada um com capacidade para
recalcar vazões entre 15 e 30 m3/h. No recalque de cada conjunto foi instalado um medidor de
vazão do tipo eletromagnético, e um misturador estático para o recebimento do polímero.
O consumo de polímero puro é entre 4 e 8 kg/t de sólidos em peso seco. Utiliza-se
polímero líquido com concentração da ordem de 30%, acondicionado em tambores de 200 l. Para
aplicação, o polímero é rediluido até uma concentração de 0,1%. Para dosagem e re-diluição do
polímero foram instalados três equipamentos automáticos, do tipo Poliblend ou similar, sendo um
reserva, cada um com capacidade para dosar até 8 kg de polímero por tonelada de lodo seco.
A produção máxima do lodo desidratado na 1ª fase será de 86 m3/dia (81t/dia), podendo
chegar até 105 m3/dia (99 t/dia) na 2ª fase. Atualmente a produção de torta (lodo desidratado) é
de 53 m3/dia ou 50 t/dia
O filtrado das centrífugas é encaminhado, por gravidade, para a EEEB, e reciclado na
entrada da ETE.
O lodo desidratado, com concentração de sólidos mínima de 20%, é encaminhado por
caminhões basculantes para estufas agrícolas para uma secagem complementar, para obtenção de
teores sólidos mínimos de 30%, o suficiente à disposição dos lodos em aterros sanitários.
Foram previstas quatro estufas cada uma com 12,80 m de largura, 252 m de comprimento
e altura livre de 5,0 m, totalizando uma área de 12.902,40 m2, o suficiente para acomodar a área
útil necessária e espaços livres para circulação de caminhões e máquinas. Atualmente estão
20
instaladas três unidades com área total de 9.676,80 m2. As estufas foram executadas com
estruturas metálicas e com cobertura abobadada com plástico transparente. Para operação das
estufas serão necessários, no mínimo, dois caminhões basculantes, uma pá carregadeira e um
trator com revolvedor de solo lateral.
Atualmente, a secagem complementar do lodo desidratado em estufas não está em
operação, sendo esse descartado diretamente em aterro sanitário.
Os volumes médios mensais de resíduos sólidos e biomassa (lodo), encaminhados ao aterro
sanitário são:
Tipo de resíduo
Areia
Material gradeado
Lodo desidratado concentração média 23,7% SST
Local de captação
Clamshell e desarenadores
Gradeamento grosseiro e fino
Casa de desidratação
Quantidade (t)
227,80
12,20
1107
3 – Geração própria de energia elétrica para atendimento às
emergências.
A primeira opção estudada, visando atender as faltas ou falta de abastecimento de energia
elétrica por parte da Concessionária para a planta, foi a geração própria de energia elétrica em
caso de emergência, com a instalação de grupos de geradores, movidos a Diesel, adotando-se a
opção inicial de projeto, com as seguintes características:
Dois geradores da linha Diesel de potência de 1500/1360 KVA, trifásicos, com fator de potência
0,8, na tensão de 480 / 277 Vca em 60 Hz, estação elevadora para 13,8 kVA, para funcionamento
paralelo e automático, estacionário, de combustão interna por ciclo diesel, com potência mecânica
bruta máxima de 1781 CV em rotação nominal de 1800 RPM, instalado em uma sala de máquinas
de 80 m2, interligado à cabine de entrada e medição, dotado de sistema automático de partida e
paralelismo com a rede da Concessionária.
A proposta totalizou um investimento inicial de R$ 1.789.380,00 (Um milhão setecentos e
oitenta e nove mil trezentos e oitenta reais), sendo R$ 1.677.380,00 (Um milhão seiscentos e
setenta e sete mil, trezentos e oitenta reais) em equipamentos e R$ 112.000,00 para construção
da sala de máquinas de 80 m2.
A análise da proposta indicou que o custo para a energia elétrica gerada na situação de
emergência seria em torno de R$ 0,35117 por kWh, considerando-se somente o custo do
combustível (óleo diesel a R$ 1,85/l), muito próximo do custo médio, pago para a concessionária
que é de 0,30211 kWh, entretanto abaixo do custo cobrado pelo horário de ponta da
concessionária.
Tal situação não satisfaz a necessidade plena da ETE, pois, atende somente a situações
momentâneas, e ainda com a opção anteriormente descrita, seria necessária a compra de
combustível fóssil, aumentando o custo operacional da ETE.
21
Para que o sistema de geração de energia seja viabilizado técnica e economicamente, é
preciso que a proposta atenda a três cenários:
1) Situação emergencial: Gerar energia elétrica suficiente para atendimento da
quantidade mínima de equipamentos funcionando, para evitar transbordamento de
esgoto in natura para o rio, quando houver falta ou desabastecimento;
2) Hora de ponta: Gerar energia elétrica suficiente para atendimento no horário de ponta,
das 18:00 h às 21:00 h, estipulado pela concessionária, cujo custo do kWh têm um sobre
valor;
3) Potencial de geração: Gerar energia elétrica suficiente para atender o consumo pelo
maior tempo possível, utilizando o biogás e lodo, reduzindo ao máximo os custos com a
compra de energia elétrica da Concessionária e a disposição da biomassa (lodo) em
aterro sanitário.
4 – Cogeração: Conceito, Vantagens e Desvantagens
4.1- Cogeração
A co-geração consiste no aproveitamento local do calor residual originado nos processos
termodinâmicos de geração de energia elétrica, que doutra forma seria desperdiçado. O
aproveitamento pode dar-se sob a forma de vapor, água quente e/ou fria (tri geração), para uma
aplicação secundária, que pode ou não estar ligada com o processo principal.
Nos processos convencionais de transformação da energia fóssil em energia elétrica
(centrais termoelétricas), por mais eficiente que seja o processo, a maior parte da energia contida
no combustível, usado no acionamento das turbinas, é transformado em calor e perdido para o
meio ambiente.
Existe uma limitação física que apenas permite o aproveitamento de um máximo de 40%
da energia contida no combustível que é usada no gerador para produção de energia elétrica.
Assim, através da co-geração, é possível aproveitar o calor antes perdido, aumentando a eficiência
energética do processo, a qual pode chegar aos 85% da energia contida no combustível.
Pode-se definir, resumidamente, por cogeração como a produção simultânea de energia
térmica e energia mecânica (elétrica), a partir de um único combustível.
22
Uma das desvantagens da co-geração é que o calor só pode ser usado perto do centro
produtor, devido à maior dificuldade no transporte da energia térmica (perdas térmicas nas
tubulações), o que limita estas instalações a unidades relativamente pequenas se comparadas
com as centrais térmicas convencionais.
4.2- Atualidade
A necessidade de reduzir emissões de CO2 incentivou nos últimos anos à adoção deste
processo eficiente. Hoje, na Holanda e Finlândia, a co-geração já representa mais de 40% da
potência instalada.
Nos últimos anos, o novo modelo de setor elétrico propiciou a produção elétrica local
tornando-a mais eficiente e de baixo custo e levando ao aperfeiçoamento da tecnologia da cogeração, inclusive ao nível da micro-geração (inferior a 150 KW).
4.3- Tecnologias
Os sistemas de cogeração mais utilizados são a turbina a gás, turbina a vapor, motor
alternativo e célula de combustível, sendo as diferenças entre eles a relação entre as necessidades
em energia térmica e elétrica, os custos da instalação e da exploração e os níveis de emissões e de
ruídos. Estes sistemas abrangem os diferentes combustíveis e potências As células de combustível
são outro sistema, em início de comercialização, mas com futuro promissor para pequenas
potências. A utilização da cogeração permite um sistema de maior repartição de produção de
energia, ao contrário do que se passa em relação às grandes centrais produtoras de eletricidade.
4.4- Modos de operação de sistemas de cogeração
Uma vez conhecidas as possíveis tecnologias para implantação de sistemas de cogeração,
torna-se necessário estabelecer regras e definir os modos de operação destes sistemas. O modo
de operação é definido como sendo o caminho no qual o sistema de cogeração deve operar de
maneira a assegurar a viabilidade da instalação e a utilização racional da energia no processo.
Assim, fatores técnicos e econômicos devem ser correlacionados com o modo de operação
escolhido, para completar a validade da avaliação de implantação de um sistema de cogeração em
um determinado estabelecimento.
23
Os principais fatores que pesam sobre o modo de operação e que devem ser considerados
num projeto de cogeração são:
- a necessidade de existir uma consistência entre as características de demanda do
estabelecimento (eletricidade, calor e combustível) e as características de capacidade de
produção de eletricidade e de recuperação de calor do sistema de cogeração escolhido;
- o perfil da demanda térmica, incluindo níveis de temperatura e as flutuações típicas da
demanda (diária, mensal e anual). O nível de temperatura deve ser consistente com o nível
de calor rejeitado do sistema de cogeração escolhido;
- o perfil da demanda elétrica e suas flutuações características;
- o custo presente do combustível e da eletricidade comprada e a projeção desses custos
para o futuro;
- a capacidade da planta para as necessidades presentes e futuras do estabelecimento;
- o custo de operação da planta;
- os aspectos ambientais.
Muitos caminhos para a operação de um sistema de cogeração podem ser seguidos de
acordo com o tipo e a capacidade do sistema. Contudo, para assegurar a maior eficiência do
sistema, a recuperação o calor rejeitado deve ser a maior possível, na condição de operação da
planta de cogeração. Uma planta de calor adicional satisfará os requerimentos do usuário se sua
necessidade for maior do que o calor recuperado.
Dependendo do estabelecimento, esta restrição pode ser mais ou menos importante na
determinação da capacidade da planta e no modo de operação desta. Desse modo, um sistema de
cogeração deve operar sempre em torno de um ponto médio da demanda.
Cabe, então, impor no projeto a escolha do modo de operação, em função da supremacia
de uma modalidade de energia (energia elétrica ou mecânica e calor) sobre a outra, de modo a
decidir qual será o produto principal entre estas modalidades, de acordo com os objetivos da
instalação do sistema de cogeração.
Desse modo, existem basicamente 4 estratégias de operação para o projeto de um sistema
de cogeração:

Operação em paridade térmica: Nesse modo de operação, o sistema de cogeração
é projetado para ser capaz de produzir os requerimentos térmicos em cada período
de tempo considerado, de maneira que o calor é o produto principal e a
eletricidade é um subproduto da cogeração. O sistema deve ser conectado a rede
24
da concessionária, de modo a propiciar a venda de eletricidade excedente ou a
compra de eletricidade adicional para o caso de déficit, dependendo dos perfis de
demandas do estabelecimento e das condições operacionais.

Operação em paridade elétrica: Nesse modo de operação, o sistema de cogeração
é projetado para ser capaz de produzir os requerimentos elétricos em cada período
de tempo considerado (pico ou base), de maneira que a eletricidade é o produto
principal e o calor é um subproduto da cogeração. Se o calor produzido é
insuficiente para satisfazer as necessidades do estabelecimento, um sistema auxiliar
é acionado para produzir esta diferença. Em caso contrário, parte do calor
produzido no sistema de cogeração é rejeitado para o ambiente.

Operação econômica: A operação econômica consiste em deixar o sistema de
cogeração operando governado por fatores econômicos. Assim, o sistema opera
nas opções de suprir parte, totalidade ou ainda produzir excedente da demanda
elétrica de pico, conforme a eletricidade é adquirida ou vendida sob uma tarifa mais
elevada. Assim, o empresário cogerador pode optar pela compra de eletricidade da
concessionária para completar o seu suprimento, ou se for o caso, vender o
excedente. O estabelecimento deve utilizar um equipamento suplementar para
satisfazer parte ou a totalidade da sua demanda térmica, quando necessário,
dependendo das condições operacionais da planta de cogeração.

Operação em cargas parciais: Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é
sub dimensionado em relação aos seus requerimentos de eletricidade e calor de
processo, atendendo cargas parciais destas modalidades de energia. O sistema de
cogeração não supre as demandas de eletricidade e de calor, e no caso deve
comprar parte da eletricidade da concessionária e utilizar equipamento
suplementar para completar as necessidades de calor.
4.5- Tecnologias Aplicáveis
Dentro do exposto até aqui, e em função do nível de capacidade requerido para sistemas
de cogeração em ETE’s, basicamente três tipos de tecnologias são aplicáveis: as pequenas turbinas
a vapor, as pequenas turbinas a gás e os motores de combustão interna.
Sistemas de cogeração utilizando pequenas turbinas a vapor (ciclo Rankine), apresentam
um alto custo capital e uma baixa razão entre a eletricidade e o calor produzido, além de
geralmente utilizarem combustíveis mais poluentes, sendo suas aplicações viáveis a pequenas
plantas afastadas de centros urbanos, onde geralmente, existe disponibilidades de combustíveis a
baixos custos.
A utilização de pequenas turbinas a gás e motores de combustão interna (ciclo Otto) se
ajustam mais adequadamente às necessidades energéticas do caso em estudo, onde se observa
cada vez mais um número crescente de casos que utilizam esta tecnologia.
25
No Brasil, estudos técnico-cconômicos de sistemas de cogeração compactos, na faixa de
25kW a 4MW, baseados em motores de combustão interna e turbinas a gás, revelam-se como
interessantes meios para geração descentralizada de energia, principalmente quando aplicados a
ETE’s. Entretanto, o maior problema existente, diz respeito a transação de excedentes, quanto a
questão institucional e tarifária.
5 – Sistemas de cogeração de energia elétrica com rejeitos da digestão
anaeróbia.
As tecnologias de geração e co-geração de energia, que é a geração combinada de
eletricidade e calor a partir de uma mesma fonte primária de energia, estão bem desenvolvidas e
suficientemente comprovadas com diversos sistemas disponíveis, cobrindo os diferentes
combustíveis e uma vasta gama de potências.
O caso em estudo consiste em utilizar como fonte de geração de energia elétrica o biogás e
o lodo digerido proveniente da fase sólida do tratamento de esgotos, produzido nos UASB’S.
Complementarmente, o calor gerado nas máquinas térmicas deverá ser aproveitado como fonte
de energia para o desaguamento complementar do lodo desaguado pelos decanter’s centrífugos.
O biogás e o lodo da ETE Rio Preto possuem os seguintes PCI - Poder Calorífico Inferior:


Biogás - PCI de 6.600 Kcal/Nm3 com teor de metano (CH4) médio de 79%;
Lodo digerido desaguado com umidade de 10% - PCI de 2.500 kcal/kg.
Atualmente, a ETE Rio Preto produz em média 7.800 Nm3/dia de biogás e 50.000 kg/dia de
lodo com 75% de umidade. Entretanto o lodo para que seja passível de ser aproveitado como
combustível requer desaguamento complementar para que atinja um teor de umidade de no
máximo 10%. Nestas condições, a produção diária é de 13.888,89 kg/dia de lodo com 10% de
umidade.
Portanto, estes combustíveis, somados, possuem um calor latente de 86.202.222,22
kcal/dia passíveis de aproveitamento.
A necessidade diária de energia elétrica da ETE é de 23.406 kWh.
5.1- Analise da geração de energia elétrica com o Biogás
Das várias tecnologias existentes para se obter energia a partir da queima do biogás as
mais utilizadas são:
- Turbina a Gás (Ciclo Brayton), aonde o biogás é queimado diretamente dentro da turbina,
sendo esta conectada a um gerador;
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- Motores de Combustão Interna (Ciclo Otto), o biogás é queimado dentro das câmaras de
combustão e o movimento da manivela do motor é conectado a um gerador elétrico;
- Turbina à Vapor (Ciclo Rankine), aonde temos a geração de vapor superaquecido e a
utilização deste para geração de eletricidade através de uma turbina a vapor, conectada a
um gerador.
As turbinas a Gás não serão motivo de estudo, pois, seu custo de aquisição, manutenção e
operação são atualmente proibitivos.
Considerando o rendimento dos motores de ciclo Otto da ordem de 40%, com biogás é
possível gerar 20.592.000 kcal/dia, que equivale a 23.948,50 kWh/dia, e os geradores elétricos
acoplados a estes motores possuem um rendimento de até 92%, pode-se dizer que o biogás
poderá gerar até 22.032,62 kWh/dia. Nessa condição tem-se que o biogás poderá gerar 94% da
necessidade diária de energia elétrica da ETE.
Por outro lado, o rendimento de uma turbina a vapor (ciclo Rankine) é da ordem de 33%,
com o biogás é possível gerar 16.988.400,00 kcal/dia, que equivale a 19.757,51 kWh/dia, e os
geradores elétricos acoplados a estes turbo geradores possuem um rendimento de até 88%, podese dizer que biogás poderá gerar até 17.386,61 kWh/dia. Nessa condição tem-se que o biogás
poderá gerar 74% da necessidade diária de energia elétrica da ETE
Portanto, no que se refere ao uso do biogás é mais viável a utilização de motores de ciclo
Otto para geração de energia elétrica.
5.2- Analise da geração de energia elétrica com o lodo desaguado
Considerando que a produção diária de lodo desaguado com umidade de 75% é de 50
t/dia, e o aproveitamento desse lodo como combustível, só é possível quando a unidade da massa
é de no máximo 10%, será necessário o desaguamento complementar de 35.888,89 kg/dia de
água, pois, quando a torta sai do decanter centrífugo tem um teor de umidade de 75%. Tal
desaguamento requer uma energia equivalente a 23.367.614,44 kcal/dia ou 27.176,54 kWh/dia o
que a princípio inviabiliza a sua utilização, pois requer mais energia do que pode gerar com o seu
reaproveitamento energético.
Nesse ponto, entra a cogeração de energia, visto que o motor de ciclo Otto queimando
biogás produz gases de escape da ordem de 2.590 (60%) a 4000 (100%) m3/hora com temperatura
média de 365o C, que é disperso na atmosfera. O aproveitamento dessa energia, para a secagem
complementar do lodo, passa a ser uma alternativa viável, pois, representa uma quantidade
energética que vai de 190.885,64 até 242.476,35 kcal/h, consideradas as perdas no sistema e o
teor de umidade durante a queima do combustível no motor. Considerando-se a possibilidade de
se utilizar um secador térmico de lodo, cujo rendimento é de 72%, serão necessários
32.455.020,06 kcal/dia para a secagem de 35.888,89 kg/dia de água. Considerando que o motor
funcionará 24 h/dia, cujos gases de escape serão aproveitados como fonte de energia, será
possível recuperar 34.668.966,05 kcal sabendo-se que o rendimento do sistema de tubulação é de
27
60%. Portanto, a energia recuperada do motor e suficiente para a secagem complementar do lodo
em secador térmico rotativo.
Por outro lado, há na ETE 3 estufas agrícolas, que poderão ser utilizadas para auxiliar na
secagem complementar do lodo, com a implantação de uma enxada rotativa automática,
desenvolvida para secagem/compostagem do lodo, cuja curva de decaimento da umidade foi
determinada por experimentos de campo, e sendo possível chegar até 21% de umidade da massa
com 21 dias de exposição ao processo. (relatório de ensaio preliminar REP-LAB-ETE-001)
O lodo desaguado (LDP), pelos métodos descritos anteriormente, poderá ser utilizado para
geração de energia elétrica somente através de uma caldeira - Turbina à Vapor (Ciclo Rankine),
aonde temos a geração de vapor superaquecido e a utilização deste para geração de eletricidade
através de uma turbina a vapor, conectada a um gerador
O rendimento de uma caldeira acoplada à turbina a vapor (ciclo Rankine) é da ordem de
33%, com o lodo digerido desaguado com 10% de umidade é possível gerar 11.458.334,25
kcal/dia, que equivale a 13.326,04 kWh/dia, e os geradores elétricos acoplados a estes turbo
geradores possuem um rendimento de até 88%, pode-se dizer que o lodo poderá gerar até
11.726,88 kWh/dia.
6 – Planta de cogeração de energia da ETE Rio Preto
Após vários estudos que permitissem que o paradigma anteriormente estabelecido fosse
atendido, chegou-se a uma solução que atende ao estado da arte em cogeração de energia
elétrica, utilizando os rejeitos da digestão anaeróbica dos esgotos (o biogás e o lodo digerido
desidratado) cujo fluxograma abaixo ilustra a proposta.
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29
6.1 – Projeto básico de implantação da Planta de cogeração de Energia Elétrica
30
6.2 – Projeções de produção de Energia para Início e Fim de Plano
31
32
6.3 –Orçamento de custos de Implantação de Projeto de cogeração ETE Rio Preto
33
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7 – Estudos de viabilidade econômica
O horizonte de projeto a ser considerado para a analise de viabilidade econômica terá
início no ano de 2012, com término de período em 2034, ano de fim de plano da ETE Rio Preto, ou
seja, ano em que a ETE está em sua vazão limite.
Considerando o histórico das contas de energia elétrica, sabe-se que a média horária de
consumo na ponta é de 1.140,5 kWh e que na fora de ponta é de 994,9 kWh. O horário fora de
ponta é menor, pois abrange o horário da madrugada (0:00 às 6:00), período de menor vazão e
portanto, menor consumo de energia elétrica. A média paga pelo consumo, considerando os
impostos, no horário de ponta é de 1,1275 R$/kWh e no horário fora de ponta é de 0,1709
R$/kWh. Considerando o funcionamento da planta de cogeração em três horas de horário de
ponta e vinte uma horas no horário fora de ponta, a economia com energia elétrica, em um mês,
será da ordem de R$ 220.035,76, e a econômica anual será R$ 2.640.429,11.
Tabela IV
Variáveis de operação e economia de energia elétrica
Horas de funcionamento – horário ponta
Horas de funcionamento – horário fora de ponta
Média horária consumo – horário ponta
Média horária consumo – horário fora de ponta
Custo de kWh – horário ponta
Custo de kWh – horário fora de ponta
Economia mensal energia – horário ponta
Economia mensal energia – horário fora de ponta
Economia mensal energia
Economia anual energia
3
21
1140,5 kWh
994,9 kWh
1,1275 R$/kWh
0,1709 R$/kWh
R$ 115.734,93
R$ 104.249,83
R$ 220.035,76
R$ 2.640.429,11
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A partir das quantidades médias enviadas ao aterro sanitário, cujo custo de
disposição é de R$ 149,00/t, pela tabela V, verifica-se que o custo evitado com o aproveitamento
do lodo como combustível, será de R$ 155.821,22 ao mês, e a economia anual será R$
1.869.854,64.
Tabela V
Tipo de resíduo
Local de captação
Areia
Material gradeado
Lodo desidratado concentração
média 23,7% SST
Cinza da queima do lodo (21% do
lodo queimado)
Clamshell e desarenadores
Gradeamento grosseiro e
fino
Casa de desidratação
Termoelétrica
Quantidade
(t)
227,80
12,20
Custo de aterro
(R$)
41.392,20
1.817,80
Custo de aterro
(R$)
41.392,20
1.817,80
1107
164.943,00
0,00
61,22
0,00
R$ 9.121,78
208.153,00
52.331,78
O custo evitado anual com a operação da planta de cogeração de energia será R$
4.510.283,75.
Testou-se a viabilidade do empreendimento considerando:
1- Financiamento pelo BNDES através do Proesco, cuja taxa de juros é de 6,52% ao ano,
com prazo de carência de 12 meses e até 72 meses para pagamento. Para a aplicação
dos saldos positivos do fluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básica
praticada no mercado financeiro no valor 9,00 % a ano.
2- Financiamento pela CEF, cuja taxa de juros é de 8% ao ano, com prazo de carência de
12 meses e até 120 meses para pagamento. Para a aplicação dos saldos positivos do
fluxo de caixa, adotou-se a taxa de remuneração básica praticada no mercado
financeiro no valor 9,00 % a ano.
3- Financiador hipotético, cuja taxa de juros é de 10% ao ano, com prazo de carência de
4- Financiador hipotético, cuja taxa de juros é de 12% ao ano, com prazo de carência de
Nas analises dos fluxos de caixa, também foram considerados os custos anuais para
operação, manutenção preditiva, preventiva e corretiva; e a cada 5 anos (40.000 horas) foi
prevista uma revisão geral (overhall).
A seguir são apresentados os quatro fluxos de caixa com as hipóteses retro considerada:
36
37
38
39
40
8 – Conclusões
Este estudo permitiu avaliar se as atuais condições de operação da ETE Rio Preto são
viáveis para a implantação de um sistema de cogeração de energia alternativa a partir do biogás e
do lodo digerido gerado em reatores anaeróbios.
Como parte do estudo, desenvolveu-se um histórico da implantação e operação da ETE Rio
Preto, considerando seus aspectos construtivos, bem como as questões operacionais, tais como, o
histórico de interrupções e o consumo de energia elétrica.
Levantou-se a quantidade de biogás gerada pelos três reatores anaeróbios e do lodo
digerido desidratado descartado em aterro sanitário. Salienta-se que esse biogás, na data deste
estudo, é totalmente queimado em flares, significando perdas potencias de geração de energia
elétrica. Da mesma forma o lodo é totalmente descartado em aterro sanitário, sem qualquer tipo
de aproveitamento.
A equipe técnica subscritora desenvolveu pesquisas a fim de levantar as possibilidades de
geração de energia com o biogás e o lodo digerido. Estudaram-se as micro turbinas a gás, as
turbinas a gás, as caldeiras, os moto geradores de combustão interna de ciclo Diesel e de ciclo
Otto.
A partir de experiências relatadas em outras aplicações semelhantes, notadamente a da
ETE Ambient em Ribeirão Preto, chegou-se a conclusão que a melhor opção, para o
aproveitamento do biogás, levando-se em consideração os custos de implantação, operação e
manutenção, será a implantação de 2 (dois) moto geradores de ciclo Otto alimentados por biogás.
Para o caso do aproveitamento da biomassa (lodo digerido desidratado), a melhor opção é
a implantação de um conjunto de aplicações, quais sejam, a utilização das estufas agrícolas
dotadas de secadores/compostadores mecânicos automatizados, secador térmico reutilizando-se
a energia gerada pelos gases de escape dos moto-geradores movidos a biogás e um conjunto
composto por caldeira-turbina a vapor (ciclo rankine) convencional. Por outro lado, a solução se
torna ambientalmente correta à luz da nova legislação federal de resíduos sólidos, e mais, no
futuro, permitirá uma gestão integrada dos resíduos sólidos gerados no município, que permitirão
o aumento do aproveitamento energético de outros tipos de biomassa.
Os estudos de viabilidade demonstraram que o projeto é viável em qualquer das situações
testadas. Na hipótese 1, o payback foi de 5 anos e obteve o maior VPL - Valor Presente Liquido
acumulado do projeto, cujo montante foi de R$ 67.542.322,01 (sessenta sete milhões quinhentos
quarenta dois mil trezentos vinte dois reais e um centavo). Na hipótese 4, o payback foi de 7 anos
e obteve-se o menor VPL - Valor Presente Liquido acumulado do projeto, cujo montante foi de R$
55.090.289,09 (cinqüenta cinco milhões noventa mil duzentos oitenta nove reais e nove centavos).
Concluindo, o projeto em analise apresentou soluções que atendem ao paradigma
proposto, assim como, atende ao estado da arte em cogeração de energia elétrica, utilizando os
41
rejeitos da digestão anaeróbica dos esgotos (o biogás e o lodo digerido desidratado); é
sustentável; reduz o custo operacional da ETE; se paga num prazo que varia de 5 a 7 anos; e ao
longo de sua vida útil é capaz de gerar receitas para fazer face aos custos necessários para as
futuras ampliação da capacidade de tratamento de esgoto da planta dos atuais 1005 l/s para 1340
l/s, utilizando-se do custo evitado na disposição do lodo em aterro sanitário e a redução da conta
de energia elétrica a ser comprada da concessionária.
9 – Referências
[1] Análise do Aproveitamento Energético do Biogás Produzido numa Estação de Tratamento de
Esgoto, Antonio Tavares de França Junior, programa de pós-graduação em engenharia mecânica
área de concentração em ciências térmicas.
[2] Análise experimental do potencial de geração de biogás em resíduos sólidos urbanos, Ingrid
Roberta de França Soares Alves, Recife, Julho de 2008.
[3] CETESB, http://www.cetesb.sp.gov.br/biogas/biogas/220-pagina-inicial
[4] COSTA, D.F, 2006, “Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás do Tratamento de Esgoto”
[5] BIZZO, W., “EM 722 - Geração, Distribuição
http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP4.pdf
e
Utilização
de
Vapor”,
[6] JORDÃO, Eduardo P. e Pessôa, Constantino A., Tratamento de Esgotos Domésticos, 4ª Edição,
Rio de Janeiro: ABES, 932p., 1995.
[7] PECORA, V., 2006, “Implantação de uma Unidade Demonstrativa de Geração de Energia
Elétrica a Partir do Biogás de Tratamento do Esgoto Residual da USP – Estudo de Caso”
[8] CHERNICHARO, C.A.L., ”Princípios do tratamento biológico de águas residuárias- Reatores
anaeróbios”, capiítulo2 - fundamentos da digestão anaeróbica;
[9] SEREC, “Memorial Descritivo e Anexos do Projeto Executivo ETE Rio Preto, Serec”.
[10] WYLEN G.J.V., BORGNAKKE C., SONTANTAG R.E., 2003, “Fundamentos da Termodinâmica”,
6ed. – Editora Edgard Blücher LTDA.
[11] EFICIÊNCIA.ENERGÉTICA,http://www.eficiencia-energetica.com/html/cogeracao/cogeracao.htm
[12] VILLANI et al, “REP-LAB-ETE-001 - Relatório de Ensaio Preliminar Estudo de
secagem/compostagem de lodo desaguado puro (LDP) e com serragem a 10% m/m (LS10) na
compostadeira-piloto Killbra - SeMAE, 2011”.
42

Planta de cogeração de energia da ETE Rio Preto

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