Universidade Estadual de Santa Cruz

Transcrição

Programa Regional de Pós-graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente
Mestrado em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente
UESC
Sabine Robra
Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos
tecnológicos, ambientais e ecológicos
ILHÉUS – BAHIA
Dezembro - 2006
Programa Regional de Pós-graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente
Mestrado em Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente
UESC
Sabine Robra
Dissertação apresentada para a obtenção do
título de Mestre em Desenvolvimento Regional e
Meio Ambiente, à Universidade Estadual de
Santa Cruz, Programa de Pós-Graduação em
Desenvolvimento Regional e Meio Ambiente.
Orientadora: DSc. Rosenira Serpa da Cruz
Co-orientador: DSc. José Adolfo de Almeida Neto
ILHÉUS – BAHIA
Dezembro - 2006
ii
XXX
AXXX
Robra, Sabine
Utilização da glicerina bruta para a produção de biogás:
UESC, 2006, 126 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Santa
Cruz.
Bibliografia
1.xxxxxx 2. xxxxxxx 3.xxxxxxxxx
iii
Sabine Robra
Ilhéus-BA, ___/___/_____.
__________________________________________________
Profa Dra Rosenira Serpa da Cruz - DCET/UESC
Orientadora
__________________________________________________
__________________________________________________
.
iv
Agradecimento
A todos os membros e ex-membros do grupo de pesquisa Bioenergia e Meio
Ambiente da Universidade Estadual de Santa Cruz, coordenado pela Profª. Rosenira
Serpa da Cruz, por terem me recebido cordialmente e me ajudado muito durante
todo o tempo.
Á CAPES pelo financiamento deste estudo.
A minha família: minha mãe e meus filhos, pelo apoio.
Aos meus colegas e professores do curso de Mestrado em Desenvolvimento
Regional e Meio Ambiente, pela paciência e pela ajuda na língua até pouco tempo
difícil, e por terem compartilhado seus conhecimentos, durante todo o tempo do
curso.
Por fim faço um agradecimento especial à Profa. Rosenira Serpa da Cruz e ao
Prof. José Adolfo de Almeida, por terem possibilitado minha vinda ao Brasil e à
UESC e pela chance de participar no Grupo Bioenergia e Meio Ambiente da UESC,
além de serem orientadores competentes e dedicados.
v
Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos tecnológicos,
ambientais e ecológicos
Resumo
O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel do Ministério da Ciência e
Tecnologia traz a perspectiva de crescimento da oferta de glicerina gerada como coproduto no processo de produção do biodiesel, levantando questões sobre
alternativas economicamente viáveis e ambientalmente corretas para a utilização
desta substância. Devido à sua composição rica em carbono de fácil degradação, a
glicerina possui propriedades favoráveis à co-digestão anaeróbica em biodigestores,
aproveitando resíduos orgânicos disponíveis regionalmente. A economia da região
Sul da Bahia está baseada na agropecuária e no turismo, sendo que, os resíduos
orgânicos gerados nestas atividades não têm sido aproveitados nem tratados
adequadamente, provocando poluição e desperdício de materiais e energia. Por
outro lado, muitos destes resíduos constituem-se em substratos apropriados para a
biodigestão. Neste trabalho foi projetado e construído um biodigestor em escala
laboratorial. Estudou-se, em sistema contínuo o potencial de produção de biogás da
glicerina bruta como co-substrato na biodigestão de estrume de gado, em
proporções de 5%, 10% e 15% m/m de glicerina bruta. O experimento foi conduzido
durante 72 dias. O processo foi avaliado do ponto de vista ambiental e econômico
tendo como base os parâmetros técnicos e econômicos do biodigestor da Fazenda
Cascata, município de Aureliano Leal, BA, e os resultados comparados com a lenha
e o gás liquefeito de petróleo (GLP), usados na secagem de cacau e o GLP na
cocção de alimentos. Através da adição de glicerina bruta ao estrume de gado
observou-se um aumento significativo nas quantidades de biogás produzidas por
unidade de compostos voláteis adicionada. Tendo com base a produção de biogás a
partir do estrume de gado, a adição de glicerina bruta elevou a produção de biogás
em 207%, 207% e 44% para 5%, 10% e 15% m/m de glicerina bruta,
respectivamente, bem como o teor de metano, em 9,5%, 14,3% e 14,6% para 5%,
10% e 15% m/m de glicerina bruta, respectivamente. O tratamento com a adição de
15% m/m de glicerina bruta foi interrompido antes do final do experimento devido à
um colapso do processo. A avaliação ambiental do biogás na secagem de cacau e
na cocção de alimentos foi realizada tendo como base a emissão comparativa de
gases estufa para os combustíveis lenha e GLP. A emissão específica foi de 2,3, e
65,7 kg CO2eq GJ-1, para a lenha e o GLP, respectivamente, enquanto para o biogás,
emissões negativas entre -186,1 kg CO2eq GJ-1 e -252 kg CO2eq GJ-1 foram
calculadas, devido às emissões de metano evitadas pelo tratamento adequado do
estrume de gado através da biodigestão. A avaliação econômica seguiu o mesmo
procedimento de comparação adotado na análise ambiental. Neste caso, os custos
por GJ dos combustíveis foram de R$ 6,20 para a lenha, R$ 60,30 para o GLP e
R$ 34,70 para o biogás produzido a partir do estrume de gado. Com a adição da
glicerina bruta no substrato, os custos do biogás caíram para R$ 7,60 e R$ 6,30 para
o biogás com 5% e 10% m/m de glicerina bruta, respectivamente.
Palavras-chave: Biodigestão, biodiesel, estrume de bovinos, metano, energia
renovável
vi
Use of crude glycerine for biogas production
Abstract
The National Biodiesel Production & Use Program (PNPB), coordinated by the Ministry of Science and Technology, brings along the perspective of a growing offer of
glycerine, co-product of biodiesel production, raising questions about economically
and environmentally correct alternatives for the use of this substance. Due to its content of easily degradable carbon compounds, glycerine is suitable for anaerobic codigestion in biodigestors, together with regionally available organic residues. The
economy of South Bahia is based on agriculture and tourism, whose organic
residues currently do not undergo appropriate treatment, nor are otherwise approved
of, thus causing pollution and wasting of materials and energy. In many cases, these
residues are appropriate for biodigestion. This study focussed on the biodigestion in
laboratory continuous digesters, planned and constructed on-site. The substrates
studied were cattle slurry alone (control) and with addition of 5%, 10% and 15% m/m
glycerine as a co-substrate. The experiment was conducted for 72 days. The results
were evaluated from the environmental and economic point of view, based on the
technical and economic parameters of the Fazenda Cascata, in the county of Aureliano Leal, Bahia, and compared with the alternatives firewood and liquefied petrol gas
(LPG) used in the drying of cocoa beans, and LPG for cooking purposes. The addition of glycerine caused a significant increase of the quantities of biogas, compared
to the control, of 207% (5% m/m glycerine), 207% (10% m/m glycerine) and 44.4%
(15% m/m glycerine), in relation to added volatile compounds. The methane content
increased by 9,5%, (5% m/m glycerine), 14,3% (10% m/m glycerine) and 14,6%
(15% m/m glycerine), compared to the control. The experiment with addition of
15% m/m glycerine had to be interrupted due to a breakdown of the anaerobic process. The estimates of greenhouse gas emissions for the renewable firewood resulted in 2,31 kg CO2eq GJ-1, whereas the greenhouse gas emissions for the fossil fuel
LPG were 65,74 kg CO2eq GJ-1. For biogas, negative emissions of -186,11 kg
CO2eq GJ-1 and -252 kg CO2eq GJ-1 were calculated, due to the prevention of greenhouse gas emissions by the anaerobic treatment of the cattle slurry, according to the
conversion factors used. The costs for one GJ of the fuels compared in this study
were R$ 6,20 for firewood, R$ 60,30 for LPG, R$ 34,70 for biogas generated only
with cattle slurry, R$ 7,60 for biogas generated with addition of 5% m/m glycerine,
and R$ 6,30 for biogas generated with addition of 10% m/m glycerine.
Key words: Biodigestion, biodiesel, cattle slurry, methane, biogas, renewable energy.
vii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Teores de nutrientes no composto, segundo a percentagem de
glicerina adotada ....................................................................................40
Tabela 2 - Emissões de CO2eq por m³ de estrume de gado, durante 80 dias..........47
Tabela 3 - Propriedades de lenha de diferentes procedências ...............................58
Tabela 4 - Proporções de estrume e de glicerina usadas no experimento da
biodigestão .............................................................................................66
Tabela 5 - Características químicas do inoculo utilizado no processo de
biodigestão .............................................................................................68
Tabela 6 - Valores de alguns parâmetros físico-químicos encontrados para o
estrume de gado da Fazenda Cascata em comparação com valores
da literatura ............................................................................................69
Tabela 7 - Quantidades médias de MF, MS e CV adicionadas diariamente aos
biodigestores ..........................................................................................72
Tabela 8 - Parâmetros das emissões do GLP P-13 ................................................77
Tabela 9 - Rendimentos teóricos de biogás do estrume de gado e da
glicerina bruta, em mL por g de CV adicionado......................................80
Tabela 10 - Quantidades teóricas de biogás .............................................................81
Tabela 11 - Comparação do rendimento de biogás por unidade de massa de CV
adicionado para o estrume de gado .......................................................88
Tabela 12 - Teores de metano para os tratamentos com base em três cenários
de referência ..........................................................................................90
Tabela 13 - Emissões de GEE (CO2eq) na combustão de lenha utilizada na
secagem de uma tonelada de amêndoas de cacau ...............................94
Tabela 14 - Emissões de CO2eq por tonelada de cacau provocadas ao longo do
ciclo de vida do GLP na secagem artificial do cacau .............................94
Tabela 15 - Custos estimados para secagem de uma tonelada de cacau
com lenha (5 m³ de lenha)......................................................................97
Tabela 16 - Estimativa dos custos da energia gerada através da lenha ...................98
Tabela 17 - Custos associados à secagem de cacau, usando GLP .........................98
Tabela 18 - Custos fixos do biodigestor na Fazenda Cascata ..................................99
Tabela 19 - Custos da produção de 1,0 GJ de biogás ............................................100
Tabela 20 - Custos da secagem por tonelada de cacau usando biogás de
estrume bovino sem e com a adição de 5% e 10% m/m de glicerina ..100
Tabela 21 - Comparação da demanda dos combustíveis usados na secagem do
cacau....................................................................................................102
Tabela 22 - Consumo e gastos com GLP e biogás, para cocção............................102
viii
Lista de Figuras
Figura 1 -
Previsões do pico da produção mundial de petróleo..............................22
Figura 2 -
A ação dos gases causadores de efeito estufa na atmosfera. ...............24
Figura 3 -
Emissões de carbono no mundo no ano de 1999 ..................................28
Figura 4 -
Montagem das pilhas de composto (esquerda) e pilhas
compostadas (direita). ............................................................................39
Figura 5 -
Passos e grupos de bactérias envolvidas na biodigestão de matériaorgânica..................................................................................................42
Figura 6 -
Localização geográfica da unidade participante no estudo....................64
Figura 7 -
Biodigestor em laboratório tipo UASB. ...................................................66
Figura 8 -
Medidor de biogás..................................................................................67
Figura 9 -
Amostras de estrume de gado. ..............................................................70
Figura 10 - Fluxograma simplificado da determinação dos custos,
das quantidades de combustíveis e de emissões na secagem
de cacau e na cocção doméstica. ..........................................................75
Figura 11 - Valores absolutos e diferenças entre as emissões fugitivas de metano
(%) para o estrume de gado bovino da Fazenda Cascata tratado
através da biodigestão e sem tratamento, com base em diferentes
estimativas de emissão. ...........................................................................95
ix
Lista de Quadros
Quadro 1 - GWP direto de alguns gases efeito estufa ..............................................25
Quadro 2 - Composição típica do biogás ..................................................................43
Quadro 3 - Reações típicas e energia livre dentro de um biodigestor.......................44
Quadro 4 - Propriedades do GLP..............................................................................62
Quadro 5 - Plano de análises conduzidas .................................................................73
x
Lista de Gráficos
Gráfico 1 - Evolução do consumo de petróleo de 1905 a 2005 ...............................19
Gráfico 2 - Desenvolvimento do consumo de petróleo na Ásia,
América Latina e na África, em relação ao mundo.................................19
Gráfico 3 - Consumo de petróleo nas cinco maiores economias mundiais,
de 1970 a 2005 ......................................................................................20
Gráfico 4 - Curvas de Hubbert de vários países produtores de petróleo .................23
Gráfico 5 - Emissões globais de carbono a partir de 1751.......................................26
Gráfico 6 - Principais responsáveis pela emissão de gases estufa .........................28
Gráfico 7 - Matriz energética do Brasil em 2005 ......................................................31
Gráfico 8 - Usos da glicerina na Europa ocidental em 1997 ....................................33
Gráfico 9 - Origem da glicerina pela fonte................................................................34
Gráfico 10 - Composição das pilhas de composto em % m/m ..................................38
Gráfico 11 - Evolução das temperaturas durante o processo da compostagem
para diferentes percentagens de glicerina bruta adicionada. .................39
Gráfico 12 - Relação entre teor de umidade e PCI, na lenha ....................................59
Gráfico 13 - Produção de derivados de petróleo na Bahia, no ano 2006 ..................61
Gráfico 14 - Relação do poder calorífico com o teor de metano no biogás...............63
Gráfico 15 - Composição típica da glicerina obtida na produção do biodiesel ..........71
Gráfico 16 - Médias semanais da produção de biogás por g de MF adicionado. ......81
Gráfico 17 - Comparação do rendimento de biogás por tratamentos e unidade de
massa de MF adicionada .......................................................................84
Gráfico 18 - Comparação do rendimento de biogás por tratamento e unidade de
massa de MS adicionada. ......................................................................85
massa de CV adicionada........................................................................86
Gráfico 20 - Áreas de metano medidas durante o experimento, para o controle
e os três tratamentos com glicerina........................................................89
Gráfico 21 - Valores de metano relativos ao controle.Quantidades de metano ........89
Gráfico 22 - Quantidades de metano geradas nos cenários C1, C2 e C3
por massa adicionada de CV. ................................................................91
Gráfico 23 - Quantidades de biogás necessárias para substituir 5 m³ de lenha,
baseado nos valores calculados para o cenário 2 (C-2). .......................93
Gráfico 24 - Comparação de emissões de GEE dos combustíveis lenha, GLP e
biogás.....................................................................................................97
Gráfico 25 - Análise de sensibilidade dos custos da glicerina bruta........................101
xi
Lista de acrônimos
A
Área (Recomendações da IUPAC (1992) para a nomenclatura da
cromatografia.)
AbfAblV
Portaria sobre a deposição de resíduos
(Abfallablagerungsverordnung, Lei alemã para deposição de
resíduos)
AGVs
Ácidos Graxos Voláteis
ANP
Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
A.O.A.C.
Associacão dos químicos analíticos oficiais (Association of Official
Analytical Chemists)
APL
Arranjo produtivo local
ARF
Associações de Reposição Florestal
B2
Mistura de 2% de biodiesel ao diesel comum
B5
Mistura de 5% de biodiesel ao diesel comum
CDIAC
Centro de análise de informações sobre dióxido de carbono (Carbon
Dioxide Information Analysis Center)
CNUMAD
Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e
Desenvolvimento
CSTRs
Reatores com sistema de agitação contínuo (Continuously Stirred
Tank Reactors)
CV
Compostos Voláteis
CO2eq
CO2 equivalente - é a unidade utilizada para medir as emissões de
gases estufa, convertendo o potencial estufa do CH4 e do N2O em
potencial estufa equivalente do gás carbônico (CO2).
DBO
Demanda biológica de oxigênio
DL
Desenvolvimento Limpo
DOE
Departamento de Petróleo e Energia dos Estados Unidos
(Department of Oil and Energy)
DQO
Demanda Química de Oxigênio
DS
Desenvolvimento Sustentável
Fob
Free on board
GEE
Gases do Efeito Estufa
GWP
Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential)
HFC
Hidrofluorcarbonos
IBD
Instituto Biodinâmico de Desenvolvimento Rural
IC
Implementação Conjunta
IEA
Agência Internacional de Energia (International Energy Agency)
xii
IPCC
Quadro Intergovernamental sobre Mudanças do Clima
(Intergovernmental Panel on Climate Change)
IUCN
União de Conservacão Global (The World Conservation Union)
IUPAC
União Internacional de Química Pura e Aplicada (International Union
of Pure and Applied Chemistry)
MCT
Ministério de Ciência e Tecnologia
mbd
milhões de barris por dia
MDL
Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MF
Matéria Fresca
MO
Matéria Orgânica
MS
Matéria Seca
Mtoe
Equivalente de um milhão de toneladas de petróleo (Million ton oil
equivalent – 1 Mtoe = 41.868 PJ)
OGR
Óleos e Gorduras Residuais
OIE
Oferta Interna de Energia
OPEP
Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Organization of
Oil Exporting Countries)
PCI
Poder Calorífico Inferior
PFC
Perfluorcarbonos
ppm
partes por milhão em volume (unidade de concentração de gases na
atmosfera)
SF6
Hexafluoreto
SV
Sólidos Voláteis
tep
tonelada equivalente de petróleo
UASB
Fluxo Ascendente em Leito de Lodo (Upflow Anaerobic Sludge Bed)
UE
União Européia
UNEP
Programa de Desenvolvimento das Nações Unidas (United Nations
Environment Program)
USEPA
Agência de Proteção do Meio Ambiente dos Estados Unidos (United
States Environment Protection Agency)
WSSD
Cúpula Mundial sobre o Desenvolvimento Sustentável (World
Summit on Sustainable Development)
WWF
Fundo Mundial de Proteção de Natureza (World Wide Fund for
Nature)
xiii
Sumário
1.
Introdução ....................................................................................................... 17
1.1.
2.
Objetivos ..................................................................................................... 18
Revisão de literatura ....................................................................................... 18
2.1.
O “Pico de petróleo” .................................................................................... 18
2.2.
A mudança climática ................................................................................... 23
2.3.
A injustiça social e a degradação ambiental ............................................... 28
2.4.
A situação energética no Brasil................................................................... 30
2.5.
Biodiesel e a glicerina bruta ........................................................................ 32
2.6.
Usos alternativos da glicerina bruta - Compostagem.................................. 37
2.7.
Biodigestão e produção de biogás .............................................................. 40
3.
Fundamentos da biodigestão.......................................................................... 41
3.1.1.
Breve histórico do biogás ................................................................. 44
3.1.2.
Evolução dos estudos em biodigestão ............................................. 47
3.1.2.1. Condução de experimentos na biodigestão
50
3.1.2.2. Modelos de biodigestores para biodigestão de resíduos
orgânicos
52
3.1.3.
Parâmetros do monitoramento do processo da biodigestão ........... 53
3.2.
Problemas relacionados à secagem do cacau............................................ 54
3.3.
Combustíveis tradicionais ........................................................................... 58
3.3.1.
Lenha ............................................................................................... 58
3.3.1.1. Aspectos energéticos da lenha
58
3.3.1.2. Emissões causadas pela lenha
59
3.3.1.3. Aspectos econômicos da lenha
60
3.3.2.
GLP .................................................................................................. 61
3.3.3.
Biogás .............................................................................................. 62
3.3.4.
Consumo de combustíveis na cocção de alimentos......................... 63
4.
Material e métodos ......................................................................................... 64
4.1.
Delimitação da área e do objeto de estudo................................................. 64
4.2.
Experimento da biodigestão........................................................................ 65
4.2.1.
O biodigestor em escala de laboratório............................................ 66
4.2.2.
Coleta e calibração do inóculo ......................................................... 68
4.2.3.
Caracterização do estrume de gado ................................................ 69
4.2.4.
Tomada, preparação e análise das amostras .................................. 69
4.2.5.
Análise físico-química do estrume de gado utilizado........................ 70
14
4.2.6.
Glicerina bruta .................................................................................. 70
4.2.7.
Determinação da quantidade de alimentação .................................. 71
4.2.8.
Definição das quantidades de biogás esperadas ............................. 72
4.2.9.
Partida do biodigestor ...................................................................... 72
4.2.10.
Alimentação dos biodigestores e retirada do efluente...................... 72
4.2.11.
Monitoramento dos biodigestores .................................................... 73
4.3.
Avaliação dos resultados ............................................................................ 74
4.4.
Análise energético-ambiental e econômica................................................. 74
4.4.1.
4.4.1.1. Lenha
76
4.4.1.2. GLP
76
4.4.1.3. Biogás
77
4.4.1.4. Uso de combustíveis na cocção
78
4.4.2.
5.
Análise energético-ambiental ........................................................... 75
Análise econômica ........................................................................... 79
4.4.2.1. Lenha
79
4.4.2.2. GLP
79
4.4.2.3. Biogás
79
4.4.2.4. Uso de combustíveis na cocção
80
Resultados e discussão .................................................................................. 80
5.1.
Determinação teórica do volume de biogás produzido ............................... 80
5.2.
Produção do biogás .................................................................................... 81
5.3.
Rendimento do biogás relacionado à matéria fresca adicionada .............. 82
5.3.1.
Rendimento do biogás relacionado à matéria seca
5.3.2.
.
Rendimento do biogás relacionado aos compostos voláteis
adicionados ...................................................................................... 86
5.3.3.
Teor de metano ................................................................................ 88
5.4.
adicionada .... 84
Avaliação energético-ambiental e econômica............................................. 91
5.4.1.
Avaliação energética ........................................................................ 91
5.4.1.1. Lenha
92
5.4.1.2. GLP
92
5.4.1.3. Biogás
92
5.4.1.4. Consumo de combustíveis na cocção de alimentos
93
5.4.2.
Avaliação ambiental ......................................................................... 93
5.4.2.1. Emissões causadas pela lenha
93
5.4.2.2. Emissões causadas pelo GLP
94
15
5.4.2.3. Emissões relacionadas à produção do biogás
95
5.4.2.4. Comparação dos três combustíveis
96
5.4.3.
6.
Avaliação econômica ....................................................................... 97
5.4.3.1. Estimativa dos custos de secagem utilizando lenha
97
5.4.3.2. Estimativa dos custos de secagem utilizando GLP
98
5.4.3.3. Estimativas dos custos de secagem utilizando biogás
99
5.4.3.4. Efeitos da glicerina bruta
100
5.4.3.5. Comparação dos três combustíveis
101
Conclusões e perspectivas ........................................................................... 103
16
1. Introdução
A humanidade enfrenta hoje três grandes problemas, a futura escassez de
petróleo, o aquecimento global e a pobreza relativa de grande parte da população, ou
seja, a desigualdade social. Visando combater estes problemas o governo brasileiro
lançou o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel, que prevê o aumento
gradual da mistura de biodiesel no diesel nacional a partir do ano de 2006, tornandose obrigatório o percentual de 5% de mistura a partir de 2013, gerando uma demanda
estimada em 2 bilhões de litros de biodiesel. Uma vez que para cada 100 litros de
biodiesel são produzidos cerca de 10 kg de glicerina bruta, espera-se que a oferta
futura de glicerina irá crescer rapidamente, o que levanta questões sobre a
necessidade de alternativas para o aproveitamento economicamente viável e
ambientalmente sustentável deste co-produto do processo de produção do biodiesel,
uma vez que o mercado atual da glicerina não poderá absorver esta oferta adicional,
mesmo considerando as novas aplicações.
Por outro lado, os resíduos orgânicos, sejam eles líquidos ou sólidos, não têm
sido tratados adequadamente, constituindo-se num problema de saúde pública, com
reflexos negativos na qualidade ambiental local e global, e ainda representando um
desperdício energético e nutricional.
Observa-se ainda, no interior do Brasil, um elevado consumo de lenha para
cocção de alimentos e secagem de produtos agrícolas. Apesar de se tratar de um
combustível renovável, quando a sua utilização está baseada na exploração de
florestas naturais e não é acompanhada da reposição de árvores, a atividade pode
provocar desmatamentos e colaborar na emissão de gases estufa.
O GLP, de uso comum na cocção de alimentos, pode ser usado também na
secagem de produtos agrícolas, devido, especialmente, ao seu elevado poder
calorífico e por proporcionar um manuseio limpo e prático. Por outro lado, apresenta
um alto custo relativo, e, por se tratar de um combustível de origem fóssil, provoca a
emissão do gás estufa, CO2, na sua combustão.
A biodigestão anaeróbica é um tratamento de resíduos orgânicos que pode ainda
proporcionar o aproveitamento energético destes resíduos através da recuperação
do biogás, podendo ser usado como fonte primária de energia na geração de calor
17
e, ou eletricidade em nível descentralizado. A glicerina bruta, oriunda da produção
de biodiesel, se não destinada adequadamente, poderá se constituir num grande
problema ambiental. Por outro lado, as suas características físico-químicas
demonstram o seu elevado conteúdo energético e sua adequação para a codigestão com outros tipos de resíduos orgânicos com uma relação C:N menor.
1.1.
Objetivos
O objetivo principal deste trabalho foi estudar os parâmetros de processo e a
quantidade e qualidade do biogás produzido a partir da co-digestão da glicerina bruta
oriunda da produção de biodiesel em associação com o estrume de gado.
Os objetivos específicos foram:
•
Caracterizar físico-quimicamente o estrume de gado produzido na
Fazenda Cascata, Aureliano Leal, Bahia;
•
Caracterizar e avaliar o potencial da glicerina bruta na produção de
biogás, adicionada em diferentes proporções ao estrume de gado;
•
Projetar, construir e operar um biodigestor em escala laboratorial;
•
Otimizar as variáveis: temperatura, carga, tempo de residência e
proporção dos substratos;
•
Avaliar a eficiência energética do processo (balanço energético) e o
potencial de mitigação de gases causadores do efeito estufa.
2. Revisão de literatura
2.1.
O “Pico de petróleo”
O século 20 foi marcado pelo petróleo. Sendo um combustível barato e abundante,
o petróleo incentivou a expansão da indústria e do setor de transporte, baseados na
combustão de derivados fósseis.
18
100
mmb.d -1
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1905
1925
1945
1955
1965
1975
1985
1995
ano
2005
Gráfico 1 - Evolução do consumo de petróleo de 1905 a 2005
(Fonte: Simmons, 2005, citado por Puplava, 2005).
Desde início do século 20 o setor petrolífero cresceu ano a ano em 87 anos dos
últimos 100 (Gráfico 1). No início deste século a demanda mundial de petróleo
cresceu acima de 2% ao ano, sendo os países industrializados, que representam 20%
da população mundial, responsáveis pelo consumo de cerca de 60% da produção
mundial. Só nos EUA, a maior economia do mundo, são consumidos cerca de 25% da
produção mundial de petróleo, enquanto nos outros 80% da população cresce a
dependência desta matéria-prima. Desde 1985, por exemplo, o consumo de petróleo
subiu 51% na América Latina, 58% na África e 123% na Ásia (Gráfico 2).
4000
Mtoe
3500
3000
2500
África
América Latina
Ásia e Pacífico
Mundo total
2000
1500
1000
500
Ano
Gráfico 2 - Desenvolvimento do consumo de petróleo na Ásia,
América Latina e na África, em relação ao mundo
(Fonte: BP, 2006).
19
2005
2003
2001
2002
2000
1998
1999
1996
1997
1994
1995
1992
1993
1991
1989
1990
1987
1988
1985
1986
0
A dependência de uma única fonte primária de energia, principalmente no que se
refere aos combustíveis líquidos utilizados no acionamento de motores de combustão
interna como a gasolina e o diesel, conduziu a economia mundial à primeira e maior
crise de petróleo a partir do final do ano 1973.
Recentemente, por motivos políticos, a OPEP (OPEC) reduziu a quantidade de
petróleo extraído em 5%, provocando uma rápida e, até aquele momento, inédita
subida no preço do petróleo e de seus derivados. A crise de petróleo de 1973
revelou o despreparo e a vulnerabilidade dos estados industrializados e sua
dependência de fontes fósseis de energia.
Surgiram, em conseqüência, além de medidas governamentais para economizar
energia, esforços para reduzir a dependência do petróleo através de incentivos e
pesquisas voltadas para as áreas de energia nuclear e de energias renováveis.
Combustíveis alternativos como o etanol, os óleos vegetais e, mais recentemente, o
biodiesel, têm ganhado cada vez mais espaço na matriz energética mundial.
Outras áreas que receberam incentivos a partir da crise de 73 foram a melhoria
do isolamento de casas e prédios e o aumento da eficiência de motores e de
sistemas de aquecimento.
Após a crise, apesar da consciência da população nos países industrializados em
economizar energia ter permanecido, a demanda de petróleo nesses paises, principalmente pelo setor de transporte, continuou crescendo, mantendo alto o nível de importações dessa matéria-prima, principalmente do oriente médio (EIA, 2005, Gráfico 3).
1000,0
m io t
900,0
800,0
700,0
600,0
EU
Japão
500,0
Alemanha
França
400,0
Reino Unido
300,0
200,0
100,0
Ano
Gráfico 3 - Consumo de petróleo nas cinco maiores economias
mundiais, de 1970 a 2005
(Fonte: BP, 2006).
20
2005
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
1974
1973
1972
1971
1970
0,0
Apesar da crise aguda do petróleo ter durado poucos anos, o seu patamar de
preços médios tem se elevado desde então, devido principalmente às crises políticas.
Em 29 de agosto de 2005, o furacão Katrina atingiu a área de produção de petróleo no
golfo de México e prejudicou gravemente a indústria petrolífera nos EUA. Em seguida,
os preços internacionais do petróleo subiram para o patamar de US$ 70. A
repercussão destes acontecimentos regionais sobre a economia mundial comprovou
mais uma vez a alta dependência do petróleo (SIMMONS, 2005).
Contrariando as previsões da indústria petrolífera, que não vê escassez no curto e
médio prazo, em fevereiro 2004 um grupo dos melhores analistas de energia dos EUA
insinuou que a Arábia Saudita, maior produtor de petróleo do mundo, pode estar vivendo a depleção do seu maior campo petrolífero e não possa manter a produção atual de 10 milhões de barris por dia (mbd) por muito mais tempo além dessa década.
As análises revelam a fragilidade da matriz energética mundial, que pode ser desestabilizada pela redução na produção de um único país e não está preparada para acompanhar o crescimento da economia mundial em bases sustentáveis (Klare, 2004).
O termo “pico de petróleo” foi primeiro aplicado pelo geólogo americano da Shell,
M. King Hubbert, nos anos 50 do século passado, quando ele descreveu a
descoberta e a extração de petróleo como uma função em forma de sino (SAVINAR,
2005). Segundo Hubbert, a taxa em que o petróleo pode ser extraído de um poço
cresce até atingir um máximo, caindo gradualmente até zero. De maneira
simplificada, isso significa que, se o pico de petróleo estivesse no ano 2000, a
produção mundial de petróleo no ano 2020 e 1980 seriam equivalentes.
Hubbert previu em 1956, com alta precisão, o pico da extração nos EUA para o
ano 1970, e o pico mundial para o ano 1995. Isso teria acontecido se não houvesse
tido uma diminuição do consumo motivado pela retração na economia mundial na
década de 70, retardando o pico de petróleo mundial entre 10 e 15 anos (Gráfico 4).
Hoje, o pico de Hubbert, que também se aplica às descobertas de novos campos de
petróleo, está comprovado empiricamente e reconhecido pela IEA (SCHINDLER;
ZITTEL, 2000).
21
2060
ano
?
2050
Lynch
Lynch
2040
CERA
após 2020
CERA
2030
nenhum pico
previsível
Laherrere
2010 - 2020
Deffeyes
2020
Simmons
Simmons
2010
antes
de 2009
Def
f eyes
2025 ou
posteriormente
2007 - 2009
EIA
, (nominal)
EIA
2016
Goodst ein
2000
Shell
Shell
Campbell
Campb
ell
cerca de 2010
BBakhtiari
akht iari
Skrebowski
Skrebowski
após 2007
2006 - 2007
1990
Laherrere
Goodstein
antes de 2009
World Energy
Council
Wo rld após
Energy
2010Co uncil
Figura 1 - Previsões do pico da produção mundial de petróleo
(Fonte: adaptado de Hirsch et al. 2005).
O pico de produção de petróleo mundial tem sido discutido com muita polêmica,
porém, a maior parte dos estudos concorda que ele deve acontecer dentro de um
prazo de 20 anos (Figura 1). A maior parte dos países fora da OPEP (OPEC) já
ultrapassou os picos da produção de petróleo convencional, ou vai ultrapassar em
breve, como mostra o Gráfico 4.
Um dos estudos previu para o ano de 2020 um déficit de 19,1 milhões de barris
na produção diária de petróleo, o que corresponde a 17% ou um quarto da atual
produção mundial. A IEA denomina isso “Balancing Item – Unidentified Unconventional Oil” (Ítem balançado – Petróleo não convencional e não identificado), que significa, na realidade, que não se sabe ainda de onde estes 17% em petróleo necessários para atender à demanda em 2020 virão (SCHINDLER; ZITTEL, 2000).
22
Gráfico 4 - Curvas de Hubbert de vários países produtores de petróleo
(Fonte: ASPO, 2005).
A previsível escassez do petróleo terá efeitos diretos sobre as áreas mais
importantes de economia mundial, como os setores de transporte, de energia, da agricultura e da indústria. Como medida preventiva os paradigmas de uma economia
apoiada no petróleo devem sofrer uma mudança fundamental.
Para se evitar um choque súbito e radical existem várias propostas, dentre elas o
protocolo de Rimini (também chamado de protocolo de Uppsala) do geólogo
americano Colin J. Campbell (THE RIMINI PROTOCOL, 2003), que sugere que os
principais países importadores de petróleo reduzam suas importações na medida em
que as reservas mundiais de petróleo declinem, o que conduziria a preços de
petróleo mais estáveis com base nos custos de extração. Deste modo, as
economias dos países em desenvolvimento também teriam a chance de usar o
petróleo no desenvolvimento de suas economias.
O pico de petróleo indica um ponto de inflexão para a humanidade, encerrando
uma fase de aproximadamente 100 anos de crescimento fácil, apoiado no petróleo,
que necessita neste momento priorizar mudanças na direção da auto-suficiência
energética e de uma matriz energética sustentável.
2.2.
A mudança climática
A emissão de radiação eletromagnética pelo sol fornece energia na Terra,
principalmente em forma de luz visível. Segundo Tolentino e Rocha-Filho (1998),
23
cerca de 70% dessa radiação é absorvida, sendo 19% pela atmosfera e 51% pela
superfície, com predominância de calor, um dos pré-requisitos principais para
existência de vida na terra. Nas temperaturas terrestres, as emissões da radiação
eletromagnética ocorrem, principalmente, na faixa do infravermelho (entre 3 µm e 100
µm), também chamada radiação térmica.
Radiação
Radiação
infravermelha
Refleção
Absorpção
Gáses efeito estufa
Processos
atmosféricos
Radiação da
superfície da
terra
Absorpção
Efeito
estufa
Figura 2 - A ação dos gases causadores de efeito estufa na atmosfera.
(Fonte: adaptado de (Schneider, apud Digitale Schule Bayern, 2006).
O vapor de água e os gases como CH4, CO2 e N2O presentes na atmosfera,
permitem, por um lado, a entrada da radiação eletromagnética do sol, que atinge
parcialmente a superfície da Terra. Por outro lado, estes gases, ativos no
infravermelho, absorvem e emitem uma parte significativa da radiação infravermelha,
que retorna à superfície terrestre provocando um aumento adicional da temperatura
terrestre (Figura 2).
24
Embora o mecanismo físico-químico seja diferente daquele observado em estufas
de vidro para cultivo de plantas, o resultado, ou seja, o aquecimento do ambiente é
similar e, conseqüentemente, o fenômeno foi chamado pelos seus descobridores de
efeito estufa e os gases provocadores do efeito, de gases do efeito estufa (GEE). O
aumento do teor desses gases na atmosfera, seja de origem antrópica ou natural,
pode causar um aumento do efeito estufa e, conseqüentemente, uma subida da
temperatura média da Terra (MAX PIANCK INSTITUT FÜR METEOROLOGIE, 2006).
O GWP1 foi definido nos relatórios do IPCC de 1992 para comparar
simultaneamente as emissões de diferentes gases com potenciais de aquecimento
diferentes. O GWP é o equivalente, em massa, do potencial de aquecimento global
dos gases estufa. Definiu-se o potencial de aquecimento global em relação a um gás
de referência (CO2), sob um específico horizonte temporal (o mais usado é 100
anos). O Quadro 1 apresenta os principais GEE, suas fontes, o histórico de suas
emissões, seu GWP e as participações individuais nas emissões totais de GEE.
Gás
CO2
CH4
N2O
HFCs
PFCs
SF6
Fontes
Combustíveis fósseis,
indústria de cimento
Cultivo de arroz, pecuária, uso
da biomassa, produção de
combustíveis fósseis.
Fertilizante, combustão de
energia fóssil, mudança do uso
da terra.
agente criogênico.
Alumínio, proteção contra fogo,
solvente, indústria elétrica.
Indústria elétrica, isolamentos.
Evolução das emissões desde o final
dos anos 80
UE: estático
OECD outros: aumento
Países da Europa oriental: diminuição
saliente.
Diminuição na maioria dos países,
aumento saliente em Noruega, Canadá,
EUA.
GWP-100a
GEE 1990
Anexo I (%)b
1
81,2
21
13,7
310
4,0
140 c
11.700
0,56
Aumento menor em vários países,
Países da Europa oriental: diminuição.
Aumento significativo
(Substituto para CFCs).
estático,
UE: diminuição.
Aumento na maioria dos países.
e
Ø 6.700
0,29
23.900
0,30
Quadro 1 - GWP direto de alguns gases efeito estufa
(Fonte: IPCC, 2001: a Potencial efeito estufa para um prazo de 100 anos; b
Participação das emissões dos diferentes GEE nas emissões totais dos
paises do Anexo I em 1990, ponderadas com o C; c o HFC 134ª, o mais
comum, tem um GWP-100 de 1.300.; d CF4 com 6.500 e C2F6 com 9.200.)
O gás estufa mais importante, pela magnitude da sua participação, é o dióxido de
carbono (CO2), e, portanto, serve como referência nos cálculos, permitindo, assim, a
determinação da importância relativa das emissões de diferentes gases. O CO2
1
Potencial de aquecimento global, do inglês GWP = Global Warming Potencial.
25
equivalente, em seguida citado como “CO2eq2”, é uma medida métrica utilizada para
comparar as emissões de vários GEE, baseado no GWP de cada um. O CO2eq é o
resultado da multiplicação das toneladas emitidas do GEE pelo seu potencial de aquecimento global. Por exemplo, o potencial de aquecimento global do gás metano é 21
vezes maior do que o potencial do CO2, ou seja, o CO2 equivalente do metano é igual
a 21 (MEIRA; GONZALEZ, 2000; EIA, 2003).
No Quadro 1 pode-se observar que o dióxido de carbono contribui com cerca de
80% para o efeito estufa. Este efeito se potencializa na medida em que o CO2 possui
um tempo de residência elevado na atmosfera terrestre.
10 6 t a -1
Total
Petróleo
Carvão
Gás natural
Produção de cimento
Gráfico 5 - Emissões globais de carbono a partir de 1751
(Fonte: CDIAC, 2006).
O gás carbônico liberado na atmosfera a partir da oxidação do carbono presente na
matéria-orgânica é, novamente, absorvido pelas plantas através da fotossíntese e
transformado em biomassa. O petróleo que o mundo consumiu em apenas 100 anos,
ou seja, a partir do século passado até agora, se formou, segundo as teorias atuais,
entre 100 – 400 milhões de anos atrás a partir de biomassa aquática e das zonas litorâneas. Para a formação do petróleo foram, então, retiradas quantidades gigantescas
de CO2 da atmosfera e fixados, através da fotossíntese, em compostos de carbono. O
2
CO2eq. é a unidade utilizada para medir as emissões de gases estufa, convertendo o potencial estufa
do CH4 e do N2O em potencial estufa equivalente do gás carbônico (CO2).
26
Gráfico 5 mostra que, com a queima de combustíveis fósseis3, já foi emitido boa parte
deste carbono armazenando ao longo de milhões de anos, significativamente mais do
que pode ser seqüestrado, neste prazo, pela vegetação e outros abatimentos naturais.
Conseqüentemente, a concentração do CO2 na atmosfera vem aumentando. Os
níveis de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera aumentaram em 30% desde o
período que antecede a Revolução Industrial. O teor de metano (CH4) aumentou, no
mesmo período, em 120%, e o do N2O em 10% (MAX PLANCK INSTITUT
FÜR
METEOROLOGIE, 2006).
O aquecimento global é um fenômeno observado recentemente e pode levar às
mudanças do clima em escala continental e, conseqüentemente, regional. Porém,
não existem previsões cientificamente comprovadas com respeito às conseqüências
do aquecimento global sobre o clima. Grande dúvida existe ainda sobre a
comprovação científica da correlação entre os efeitos das variações climáticas e o
do aumento da concentração dos GEE na atmosfera, bem como, sobre a fronteira
entre as mudanças climáticas induzidas pelas atividades humanas daquelas
provenientes de causas naturais. A questão é difícil de ser compreendida por sua
complexidade científica e pela falta de dados, devido ao comparativamente curto
prazo de 150 anos da queima intensiva de energia e da subseqüente emissão de
CO2 proveniente de fontes fósseis.
Mesmo assim, existe uma grande variedade de teorias indicando que o efeito
estufa pode causar sérias conseqüências sobre o clima mundial (e também regional)
(BAKAN; RASCHKE, 2002). Segundo teorias recentes, as grandes catástrofes naturais
ocorridas na década passada como: enchentes, furacões, estiagens etc., podem ser
entendidas como conseqüências do aquecimento global. Como exemplo pode-se
citar a projeção que indica que na década de 40, deste século, mais da metade dos
verões será mais quente do que o verão de 2003 na Europa, que, devido às altas
temperaturas médias, levou à morte de milhares de pessoas e à ocorrência de
incêndios florestais devastadores (SCOTT et al., 2004). Esta ameaça pode ser
entendida como conseqüência do uso exagerado de fontes fósseis de energia nos
países industrializados. Nestes países, segundo PARIKH (2003), são emitidos 70% do
3
além do petróleo, são também relevantes o carvão e o gás natural.
27
dióxido de carbono (CO2). A Figura 3 mostra a distribuição das emissões mundiais
deste gás no ano 1999.
Figura 3 - Emissões de carbono no mundo no ano de 1999
(Fonte: World Bank Group, 2005).
Os setores de energia e transporte são responsáveis por cerca de 50% da
emissões de GEE (Gráfico 6). A substituição da energia fóssil por fontes renováveis
pode, portanto, contribuir para a estabilização da concentração dos GEE, e
conseqüentemente, reduzir a probabilidade de alterações climáticas provocadas pelo
efeito estufa (BÖHM, 2003).
Degradação
florestal
15%
Produtos químicos
20%
Agricultura e outros
15%
Energia, Transportes
50%
Gráfico 6 - Principais responsáveis pela emissão de gases estufa
(Fonte: adaptado de Böhm, 2003).
2.3.
A injustiça social e a degradação ambiental
Há uma estreita inter-relação entre pobreza, acesso à energia e sustentabilidade.
Coincidentemente, o número de pessoas que vivem com menos de um dólar
28
americano por dia (dois milhões) é o mesmo daquelas pessoas que não dispõem de
energia comercial. No World Summit on Sustainable Development (WSSD), em 2002,
fez-se explícita referência ao fato de que a energia, desde que proveniente de
processos sustentáveis, deve ser considerada uma necessidade básica humana como
qualquer outra: água limpa, sanidade, alimento seguro, biodiversidade e moradia
(SALES MEDRADO et al., 2001).
Para os países em desenvolvimento atingirem um estilo de vida igual ao estilo de
vida atual dos habitantes dos países desenvolvidos, serão necessários mais dois
“Planetas Terra” para cobrir as necessidades em recursos naturais e serviços
ambientais (SCHMIDT-BLEEK, 2000), fato que confirma a estreita correlação entre a
desigualdade social mundial e a degradação global do meio ambiente. Para fugir
dessa situação de degradação ambiental causada pelo uso exagerado dos recursos
naturais pela menor parte do mundo, agravada pelo subdesenvolvimento da maior
parte do mundo, necessita-se alterar o estilo de vida quanto ao uso e ao consumo
de energia nos países desenvolvidos, bem como, alterar os paradigmas difundidos
nos países em desenvolvimento. Neste contexto, foi ratificado no Brasil em 2002 o
Protocolo de Quioto, que representa um tratado entre as nações com compromissos
mais rígidos para a redução da emissão dos GEE, negociado na reunião da
Conferência das Partes no Japão, em 1997. Nesta reunião a Convenção do Clima
passou a aceitar como Mecanismos de Flexibilização o comércio de emissões, a
implementação
conjunta
(IC)
entre
os
países,
além
do
Mecanismo
de
Desenvolvimento Limpo (MDL), sendo este último originado de uma proposta mais
ampla do Governo Brasileiro (KLABIN, 2000).
Os Mecanismos de Flexibilização funcionam através da implementação de projetos.
Os projetos da IC serão realizados majoritariamente em países da Europa do Leste e
Ex- União Soviética, que têm compromissos ao abrigo do Protocolo de Quioto (Países
do Anexo I). Os projetos do MDL são desenhados para países em desenvolvimento,
sem compromissos previstos dentro do Protocolo de Quioto. O MDL tem um mandato
explicito na promoção do desenvolvimento sustentável (DS) (CDM Watch, 2003).
Neste contexto, a Agenda 21 Local (1992) apresenta o programa de implementação
de ações previstas na Agenda 21 Global. Este Programa culminou com a realização
da Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento
(CNUMAD), no Rio de Janeiro, em 1992, também conhecida por “Rio 92”.
29
A Agenda 21 Local é um processo de desenvolvimento e implementação de
políticas que conduzam ao DS. “Uma comunidade sustentável vive em harmonia
com seu meio ambiente e também não causa danos a outras comunidades próximas
ou distantes, hoje ou no futuro. A qualidade de vida e os interesses das futuras
gerações são mais valorizados do que o crescimento econômico ou o imediatismo
no consumo” (IUCN, UNEP, WWF, 1991). Estes conceitos fornecem a base para o
desenvolvimento de ferramentas de gerenciamento necessárias ao processo, sendo
destaque dentre elas: o desenvolvimento de fontes de energia diversificadas e
menos poluentes e de tecnologias limpas com processos energeticamente
eficientes, com baixos índices de emissões e sem geração de resíduos, como, por
exemplo, o uso energético da biomassa.
Todas as formas de energia podem ser geradas através da biomassa, que é
neutra com respeito à emissão de GEE, quando manejada de forma sustentável,
podendo inclusive, em determinadas condições atuar no seqüestro de carbono,
colaborando para a mitigação das emissões de GEE.
2.4.
A situação energética no Brasil
Muitos países em desenvolvimento, como, por exemplo, o Brasil, dispõem de um
grande potencial de produção de biomassa a partir de diferentes fontes. Neste caso,
são fortes candidatos para o desenvolvimento de tecnologias na área de bioenergia,
como os óleos vegetais e o seu derivado, o biodiesel (FRITSCHE et al. 2005). O
potencial de difusão do uso da bioenergia nesses países no futuro dependerá da
disponibilidade em escala comercial de tecnologias eficientes, modernas e de
reduzido impacto ambiental, que possam garantir o atendimento da crescente
demanda em energia de alta qualidade.
No Brasil, no início da década de 40, a biomassa era responsável por cerca de
83% da Oferta Interna de Energia (OIE), sendo 81% correspondente à lenha
extraída de florestas naturais. Em 1970, ano inicial da atual base de dados do
Balanço Energético Nacional, a biomassa já participava com 47% da OIE (42% de
lenha e 5% de bagaço). Nas décadas seguintes a lenha foi sendo substituída por
derivados de petróleo, principalmente pelo GLP no setor residencial e pelo gás
natural e óleo combustível no setor industrial.
30
Outras renováveis
3%
Cana-de-Açucar
15%
Petróleo
40%
Lenha
15%
Gás natural
9%
Urânio
2%
Carvão
1%
Energia hidráulica
15%
Gráfico 7 - Matriz energética do Brasil em 2005
(Fonte: MME, 2006).
Como se pode ver no Gráfico 7, 35,4% da matriz energética nacional em 2005 era
composta por fontes renováveis de energia, dos quais cerca de 30% eram derivados
da biomassa, sendo 15,0% de lenha e 15,0% de produtos da cana (caldo de cana,
melaço e bagaço).
Com relação ao uso moderno da biomassa, o Brasil se destaca no
aproveitamento dos produtos da cana-de-açúcar como: o bioetanol e o bagaço,
atingindo cerca de metade de toda a energia obtida da biomassa. Por outro lado,
apenas uma fração marginal de toda a bioenergia utilizada no Brasil provém de
outros resíduos orgânicos, enquanto o potencial estimado somente para os resíduos
da agricultura (fora cana-de-açúcar) atinge a cifra de 37,5 Mtoe (Million ton oil
equivalent)
(SILVEIRA,
2005).
O desenvolvimento
de
tecnologias
para
o
aproveitamento desse potencial energético, dentro do contexto do Desenvolvimento
Limpo (DL) e da Agenda 21, através do emprego de tecnologias modernas e
eficientes, pode promover o desenvolvimento regional.
Neste contexto, cabe ressaltar que a utilização de biomassa no Brasil, com fins
energéticos, pode contribuir de forma significativa na redução de emissões de GEE.
Atualmente a taxa brasileira de 1,69 t CO2eq tep-1 já se encontra abaixo da média
mundial de 2,36 t CO2eq tep-1, porém, através do Protocolo de Quioto, as reduções
adicionais de emissão no país podem contribuir para a redução das emissões
globais através do MDL (SALES MEDRADO et al., 2001).
31
O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PROBIODIESEL) “é um
programa interministerial do Governo Federal que objetiva a implementação de
forma sustentável, tanto técnica, como economicamente, da produção e uso do biodiesel, com enfoque na inclusão social e no desenvolvimento regional, através da
geração de emprego e renda”. Segundo a Lei nº 11.097, de 13 de janeiro de 2005,
biodiesel pode ser definido como um “biocombustível derivado de biomassa Renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou,
conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir
parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil” (PORTAL BIODIESEL, 2006).
O biodiesel pode ser produzido a partir de uma ampla variedade de oleaginosas:
dendê, babaçu, milho, girassol, soja, canola, colza, amendoim, mamona, óleos e
gorduras residuais etc. Assim, cada região brasileira tem capacidade de produzir
matéria-prima para a produção do biodiesel (DA CRUZ et al., 2005).
Portanto, o programa pretende estabelecer, em todo o país, uma rede de plantas
de produção de biodiesel, de grande, médio e pequeno porte. Em nível estadual, o
programa correspondente, o Programa de Biodiesel da Bahia (PROBIODIESELBAHIA), pretende “tornar a Bahia um exportador de biodiesel aproveitando suas vantagens logísticas para distribuição de combustíveis” (PROBIODIESELBAHIA, 2006),
priorizando, como matéria-prima, oleaginosas típicas da região, como: a mamona, o
dendê e, no futuro, o pinhão manso. O cultivo dessas oleaginosas, produzido sob
condições de agricultura familiar, deverá constituir-se em fonte de emprego e renda,
especialmente nas regiões mais carentes (PIRES et al., 2005). A Bahia é um dos
estados da federação com condições edafo-climáticas mais diversificadas e
favoráveis, apresenta capacidade científica, tecnológica elevada e vontade política
expressa na forma de um Programa Estadual para a produção de biodiesel.
2.5.
Biodiesel e a glicerina bruta
O processo para a produção do biodiesel é baseado numa reação química, a transesterificação, que é, sinteticamente, a reação de um óleo vegetal com um álcool, em
geral, metanol ou etanol, e catalisada por um ácido ou uma base, em geral, utiliza-se
o KOH (hidróxido de potássio) ou NaOH (hidróxido de sódio). Nessa reação, as
moléculas principais dos óleos e gorduras, os chamados triacilgliceróis, são
32
separados em seus componentes ácidos graxos e glicerina. Os ácidos graxos são
reagrupados, formando uma mistura de ésteres metílicos ou etílicos (biodiesel),
dependendo do álcool utilizado, e, como co-produto, a glicerina bruta, numa proporção
mássica biodiesel : glicerina de 10 : 1.
A glicerina é uma matéria-prima de alto valor agregado, com mais que 1.500
aplicações em diversos setores, como na fabricação de produtos farmacêuticos,
alimentícios e de higiene oral (CLAUDE et al., 2000; Gráfico 8).
Cosméticos
16,1%
Produtos
farmacéuticos
9,8%
Outros
Nitração
0,2%
4,2%
Ésteres
10,7%
Papel
0,9%
Revenda
17,3%
Polióleos
11,7%
Fumo
3,6%
Resinas
5,7%
Alimentos
e bebidas
8,5%
Filmes de celulose
3,1%
Outros usos químicos
8,2%
Gráfico 8 - Usos da glicerina na Europa ocidental em 1997
(Fonte: Claude et al., 2000).
Porém, para atender as exigências destas indústrias, necessita-se atingir um
elevado grau de pureza. No caso da glicerina bruta oriunda da fabricação do biodiesel,
este grau de pureza só pode ser alcançado através de processos complexos e onerosos como a destilação, e especialmente no caso da glicerina oriunda da transesterificação de OGR4, o processo é tecnicamente complexo e economicamente inviável.
Com a exceção da produção da glicerina sintética, via síntese da epicloridrina obtida do propileno, e pequenas quantidades produzidas através da fermentação de açucares e amidos, toda a glicerina mundial têm sido produzida como co-produto da fabricação de outras commodities. Em outras palavras, a glicerina está sendo produzida
independente da demanda. O Gráfico 9 mostra a participação das diversas fontes de
4
Óleos e gorduras residuais da cadeia alimentar
33
origem da glicerina. Atualmente, a glicerina oriunda da produção do biodiesel entra no
mercado como concorrente das fontes tradicionais da glicerina (CLAUDE ET AL., 2000).
Ácidos graxos
38,0%
Sabão
24,9%
Outros ésteres
2,5%
Fermentação
1,9%
Glicerina
sintética
11,9%
Biodiesel
Substituintes 6,9%
Substituintes
de gordura
de gordu
4% 0,4%
Álcoois graxos
13,6%
Gráfico 9 - Origem da glicerina pela fonte
(Fonte: Claude et al., 2000).
A viabilidade econômica do biodiesel, traduzida na relação custo/benefício de sua
produção, depende, além dos custos das matérias-primas principais, do preço de
petróleo (ZHANG et al. 2003), e necessita ainda de subsídios e incentivos fiscais
(ALMEIDA, 2006). Isto demonstra, que a viabilidade econômica de uma instalação
para produção de biodiesel depende, muitas vezes, da receita obtida com a venda
da glicerina bruta. Zhang et al. (2003) associam um alto valor ao co-produto,
glicerina bruta, indicando que ela pode reduzir em aproximadamente 10% os custos
de produção, numa planta com capacidade de 8000 t a-1 de biodiesel, enquanto para
Haas et al (2005), os custos de produção de biodiesel estão inversamente e
linearmente relacionados às variações do valor de mercado da glicerina.
Segundo Bender (1999) existem ainda poucos estudos sobre os efeitos econômicos dos processos da purificação da glicerina, quando associados ao processo
da produção do biodiesel. Noordam and Withers (1996), citado por Bender (1999),
incluíram no seu estudo de viabilidade econômica da produção do biodiesel a partir de
colza, uma taxa de recuperação de 75% em aproveitamento da glicerina em qualidade
técnica industrial a partir da glicerina bruta do biodiesel, resultando numa redução
adicional de US$ 0,04 por litro de biodiesel no custo total de produção, estimado em
US$ 1,06, quando comparado à comercialização direta da glicerina bruta.
34
Os custos para instalação de uma planta para o processamento da glicerina bruta
(metanol, KOH, sabão, etc.) resultante da produção do biodiesel são, via de regra,
maiores do que os necessários para instalação da própria planta de produção do
biodiesel. Além disso, o seu processamento deve se dar de forma contínua e
necessita ser monitorado com freqüência, de tal forma, que necessita-se de 15 a 20
pessoas, enquanto que numa planta de biodiesel sem a etapa de purificação da
glicerina, 2 a 3 funcionários seriam suficientes. Por outro lado, o faturamento obtido
com a comercialização dos produtos obtidos com a purificação de todos os
componentes presentes na glicerina bruta não chega a ultrapassar 10 a 15% do
faturamento com o biodiesel. Fábricas com produção menor de 50.000 a 70.000 t a-1
de biodiesel, em geral, não conseguem cobrir os custos totais de produção com a
venda da glicerina refinada (GLACONCHEMIE, 2006).
Por outro lado, o mercado da glicerina é conhecido por ser complexo e de difícil
previsibilidade, devido a sua alta volatilidade e ao grande número de aplicações e
complexidade dos mercados fornecedores. Além disso, a maior parte da glicerina
comercializada é um co-produto, e, conseqüentemente, a oferta da glicerina é determinada pela demanda do produto principal.
No passado foram observadas grandes variações dos preços da glicerina, com
diferenças que chegaram até US$ 1.000,00 por tonelada. AIM-AG (2002) espera,
com o crescimento da produção do biodiesel, um declínio nos preços da glicerina
entre 20% e 30% até 2010, o que pode interferir negativamente na rentabilidade das
usinas de biodiesel, como mostram os exemplos a seguir:
Weber, (1993) citado por Bender (1999), menciona o exemplo de uma fábrica de
biodiesel na cidade de Aschach, Austria, construída em 1990, com capacidade de
12 milhões de litros de biodiesel por ano, onde foram investidos 27% dos investimentos totais na construção de uma planta para a purificação da glicerina bruta com
qualidade técnica. Na época da construção da planta, o preço da glicerina com
qualidade técnica era de US$ 3,52 por kg, mas já em dezembro 1991, havia caído
para US$ 1,76 por kg. Em 1993, a planta fechou por falta de viabilidade financeira,
como conseqüência da queda nos preços da glicerina de qualidade técnica. No fim
do ano 2003, um dos maiores produtores de biodiesel na Alemanha faliu por que os
cálculos da viabilidade econômica estavam baseados numa avaliação errada do
35
preço da glicerina, em vez dos € 1000,00 por tonelada esperados, o mercado estava
pagando ao redor de € 500,00 por tonelada (VDI, 2004).
Segundo Guzman (2005), a demanda mundial de glicerina, no ano 2004, foi de
224.075 t. No Brasil, em 2008, quando se espera atingir o percentual obrigatório de
2% de mistura do biodiesel no diesel comercializado no país, serão produzidas cerca
de 70.000 t de glicerina como co-produto da produção do biodiesel, o que equivale a
mais de 30% da demanda mundial de glicerina em 2004.
Uma outra estimativa avaliou o consumo mundial de glicerina em 750.000 t a-1 no
ano de 2000 (PHÄNOMEN FARBE, 2000), enquanto Connemann (1997) previu um
crescimento anual da demanda em 2,5% ao ano. Neste caso, em 2013, quando a
proporção compulsória do biodiesel no Brasil dentro da mistura atingir 5%, a
produção do biodiesel deverá alcançar 2 bilhões de litros por ano e a da glicerina
bruta, aproximadamente 200.000 t.
No caso dos Estados Unidos, a produção prevista de biodiesel no ano 2010
resultará em aproximadamente 900.000 t (2 bilhões de lbs) de glicerina bruta por
ano. Até as previsões mais otimistas de demanda dessa matéria-prima não
alcançam estes valores, sendo, portanto, uma preocupação dos produtores de
biodiesel e de glicerina a tendência de queda acentuada dos preços deste produto
no futuro, resultado da crescente produção de biodiesel a nível mundial (VIRENT
ENERGY SYSTEMS, 2004). Atualmente, os preços da glicerina nos EUA já se
encontram abaixo do limite de viabilidade econômica do processamento da glicerina
bruta em glicerina de qualidade técnica.
Em muitos casos, a glicerina bruta já se constitui num problema de destinação para os produtores de biodiesel, e necessita ser destinada para aterros sanitários, por
que a sua purificação é inviável em pequena e média escala (DASARI et al., 2005;
MCCOY, 2006). O menor preço para a glicerina bruta observado, recentemente, no
mercado internacional foi de US$ 0,05 por libra, ou seja, R$ 0,05 por kg (NILLES,
2006), e, na Europa, segundo previsões do início do ano 2006, poderá perder seu
valor comercial (FROST & SULLIVAN, 2006).
Essa perspectiva de crescimento da oferta de glicerina bruta levanta questões
sobre a necessidade de alternativas econômicas e ambientalmente corretas para a
utilização deste co-produto, por que as previsões sobre a demanda do mercado no
36
médio prazo apontam que, somente 50% dessa glicerina adicional, oriunda da produção do biodiesel, poderão ser aproveitados pela indústria, mesmo contabilizando
as novas aplicações da glicerina que poderão tornar-se economicamente atraentes
com a queda do seu valor de mercado (KRAUSE, 2004; MCCOY, 2005).
A proposta dos Programas Nacional e Estadual é priorizar a produção
descentralizada do biodiesel. Portanto, o governo da Bahia quer atrair usinas para
regiões que já têm grandes áreas produtivas de oleaginosas (mamona e girassol) como Irecê, Piemonte da Chapada e Paraguaçu - incentivando os chamados
arranjos produtivos locais (APLs). A meta é responder por pelo menos 29% da
produção nacional de biodiesel prevista para 2007, volume este que atenderia toda a
demanda do Nordeste (AGÊNCIA CT, 2005). Com isto haverá uma considerável oferta
de glicerina bruta em nível regional.
Porém, o elevado custo de purificação da glicerina bruta e a necessidade de
centralização desta atividade deverão restringir o aproveitamento desta glicerina
oriunda da produção do biodiesel como glicerina técnica, principalmente, se a refinaria encontrar-se longe do local de produção (DINIZ, 2005). Este cenário justifica a
busca de alternativas de aproveitamento, para que a glicerina bruta não venha, num
futuro próximo, se constituir num problema econômico e ambiental na cadeia de
produção do biodiesel.
Uma dessas alternativas é a compostagem da glicerina bruta junto com outros
resíduos orgânicos, de preferência sólidos, para a produção de adubo orgânico com
teor de potássio elevado, recuperando o KOH usado como catalisador na
transesterificação como fertilizante agrícola (veja item 0).
Uma outra alternativa poderá ser a geração de biogás através da biodigestão da
glicerina bruta junto com outros resíduos líquidos ou pastosos de fácil degradabilidade microbiana.
2.6.
Usos alternativos da glicerina bruta - Compostagem
A glicerina bruta, obtida através da transesterificação alcalina utilizando KOH como
catalisador, pode ser aproveitada como fertilizante na agricultura, principalmente pelo
seu teor elevado em potássio, um macronutriente na produção agrícola e florestal. A
adubação através da distribuição direta da glicerina no campo pode, porém, resultar
37
numa imobilização de alguns nutrientes, como o nitrogênio e o fósforo, pelos microorganismos no solo. A ausência de nitrogênio e fósforo na glicerina bruta pode levar à
imobilização do nitrogênio solúvel pelas bactérias no solo até que a relação
carbono:nitrogênio (C:N) no solo seja reduzida para 20:1. Se a aplicação da glicerina
bruta acontecer no período vegetativo, a absorção do nitrogênio pelos microorganismos pode levar à uma deficiência deste macronutriente, caso não seja
fornecida adubação adicional extra, prejudicando o desenvolvimento da cultura e,
conseqüentemente, comprometendo o rendimento da safra. O mesmo pode acontecer
com a disponibilidade de fósforo, pelas mesmas causas mencionadas anteriormente
para o nitrogênio (SCHALLER, 2005).
A produção de adubo orgânico através da compostagem representa uma das
alternativas de aproveitamento da glicerina bruta. Para comprovar a digestibilidade
da glicerina bruta por microorganismos e otimizar a sua utilização, foi conduzido no
ano de 2003 um experimento sobre compostagem da glicerina bruta associada com
outros resíduos orgânicos convencionais (ROBRA et al., 2003).
Lodo ativado
Corte de grama
57,0%
4,0%
Palha de coco
5,0%
Composto maduro
10,0%
14,0%
10,0%
Resíduos de frutas
e verduras
Restos de comida
Gráfico 10 - Composição das pilhas de composto em % m/m
O experimento foi conduzido no Hotel Transamérica (HT), localizado na Ilha de
Comandatuba, município de Una, Bahia, utilizando como base o processo de compostagem em pilha, utilizado no Hotel. As seguintes matérias-primas foram
utilizadas: corte de grama do campo de golfe, restos de alimentos cozidos e
resíduos crus das cozinhas, palha de coqueiro, lodo ativado da estação de
38
tratamento de esgotos e composto maturado como inóculo, sendo adicionadas nas
proporções indicadas no
Gráfico 10.
Foram montadas 12 pilhas de aproximadamente 400 kg (1,4 m³), adicionando-se
três proporções (5, 10 e 15% m/m) de glicerina oriunda da produção de biodiesel de
OGR. Foram usadas três repetições para cada proporção adicionada, sendo três
pilhas usadas como testemunha (sem adição de glicerina; Figura 4).
Figura 4 - Montagem das pilhas de composto (esquerda) e pilhas
compostadas (direita).
O Gráfico 11 mostra a evolução das temperaturas durante o processo de
compostagem para três percentagens de glicerina bruta adicionada. As pilhas sem
adição de glicerina tiveram uma subida brusca da temperatura média, até atingir a
temperatura máxima de 75 °C, e caindo suavemente até o final da quinta semana.
Observa-se que nas pilhas com adição de 5% m/m de glicerina bruta, as temperaturas
subiram mais lentamente e não atingiram temperaturas acima de 72 °C. As pilhas com
concentração de 10 e 15% m/m de glicerina apresentaram uma curva de temperatura
dentro da faixa considerada ideal. A queda das temperaturas depois de 16 dias (0%,e
5%) e 25 dias (10% e 15%), respectivamente, indicaram o final da fase termofílica do
processo de compostagem, ou seja, o esgotamento do estoque da matéria orgânica
de fácil degradabilidade.
Gráfico 11 - Evolução das temperaturas durante o processo da compostagem para
diferentes percentagens de glicerina bruta adicionada.
39
O experimento revelou que a compostagem usando glicerina e outros resíduos
orgânicos é tecnicamente viável e poderá ser uma alternativa utilizada para o aproveitamento da glicerina bruta como adubo. O teor de potássio no composto maduro foi
elevado nas amostras que receberam adição de glicerina, aumentando segundo a
percentagem de glicerina adicionada (Tabela 1).
Tabela 1 - Teores de nutrientes no composto, segundo a percentagem de glicerina
adotada
Tratamento
0% m/m
5% m/m
Nutiente
N
P
K
10% m/m
15% m/m
1,5
0,32
1,2
1,6
0,23
1,5
%
1,5
0,28
0,74
1,4
0,29
1
No entanto, adotando os princípios da ecoeficiência, a compostagem da glicerina
deve ser a estratégia utilizada como segunda opção. Devido ao alto teor energético da
glicerina, a sua valorização através da biodigestão, possibilitando o aproveitamento da
energia contida no substrato através da sua recuperação em forma de biogás, pode
ser uma opção mais eficiente do ponto de vista econômico e ambiental.
2.7.
Biodigestão e produção de biogás
O biogás pode ser produzido em unidades descentralizadas, adaptadas às
condições específicas do local e próximo às fontes de matéria-prima e de consumo,
como demonstrado, por exemplo, na Índia, na China e em vários países da Europa.
Ao mesmo tempo em que contribui na ciclagem adequada de nutrientes e energia
dentro do ecossistema, a biodigestão estabiliza a matéria orgânica presente nestes
resíduos orgânicos, produzindo um fertilizante de fácil assimilação pelas plantas.
Comparado com a aplicação direta dos resíduos orgânicos no solo, como, por exemplo, do estrume de gado, o uso do efluente da biodigestão pode ser vantajoso, pois:
-
sua baixa viscosidade facilita o bombeamento e conseqüentemente o
manuseio, favorecendo a infiltração rápida no solo e absorção pelas
plantas, evitando-se assim perdas de nitrogênio para a atmosfera;
-
possui um baixo teor de ácidos carbônicos causadores de queimaduras
nas plantas e pela forma com que o nitrogênio está presente (NO3¯), facilita
a sua absorção pelas raízes.
40
O grupo potencial das matérias-primas para a produção de biogás engloba todos
os resíduos orgânicos de fácil degradabilidade bacteriana. Estes resíduos orgânicos,
de origem vegetal ou animal, como restos de verdura e de frutas, resíduos da produção de alimentos, dejetos animais ou esgoto doméstico, não tem, via de regra, recebido um tratamento adequado no Brasil (ROSE, 2005), prejudicando a saúde humana e
contribuindo para a poluição dos corpos d’água e para o efeito estufa antrópico.
A co-digestão anaeróbica de resíduos orgânicos pode representar um grande
potencial de contribuição na geração de energia renovável, dentro dos conceitos
previstos na Agenda 21 Brasileira e na proposta de DL, sendo o seu aproveitamento
associado à produção de calor, de frio, para uso automotivo em motores de
combustão interna ou na geração de energia elétrica (MEUNIER, 2002; PILAVACHI,
2002; PÖLZ; SALCHENEGGER, 2005). No longo prazo, a tecnologia da biodigestão
deverá
assumir
um
papel
importante
na
busca
de
alternativas
para
o
desenvolvimento sustentável (BRAUN; STEFFEN, 1997).
3. Fundamentos da biodigestão
A população dentro de um biodigestor pode ser entendida como uma biocenose, ou
seja, como uma comunidade de organismos convivendo em mútua interdependência,
como, por exemplo, se encontra no trato digestivo de animais ruminantes. Por
conseqüência, a alimentação deste sistema biológico pode se basear nos
conhecimentos sobre a alimentação de ruminantes (PESTA; MEYER-PITTROFF, 2003).
A energia gerada por este sistema, em última análise, o seu rendimento em
metano, será determinada pelo conteúdo em carboidratos, proteínas, gorduras e
pela digestibilidade das substâncias presentes no substrato. Para a avaliação dos
substratos usados na biodigestão é, portanto, fundamental o conhecimento da
quantidade, da qualidade e da sua composição, obtidos através da determinação do
conteúdo em matéria seca (MS), em matéria orgânica (MO) e do teor de nutrientes
destes substratos (KEYMER; SCHILCHER, 2003).
Os fundamentos deste estudo estão baseados no conhecimento da geração de
biogás através da digestão bacteriana anaeróbica úmida de substâncias biologicamente degradáveis. Segundo Nagamani e Ramasamy (1999), existem três fatores
básicos a serem considerados neste processo:
41
•
A maioria das espécies microbianas que atuam na produção de biogás
são anaeróbicas e apresentam baixas taxas de crescimento;
•
estes microorganismos apresentam um alto grau de especialização
metabólica;
•
a maior parte da energia livre encontrada no substrato original
permanece disponível no produto final do processo na forma de gás
metano, pois, pouca energia é utilizada no crescimento e na
manutenção dos microorganismos.
A decomposição do substrato e a formação do biogás obedecem à seguinte
seqüência de passos (Figura 5).
Num primeiro passo, semelhante à compostagem, os polímeros complexos são
quebrados em produtos solúveis de menor complexidade, como, ácidos graxos de
cadeia curta, hidrogênio e dióxido de carbono, através da atuação de enzimas
produzidas por bactérias fermentativas (1).
Nos passos seguintes, na ausência de oxigênio, se formam populações
associadas de bactérias anaeróbicas obrigatórias e os ácidos graxos de cadeia mais
longa que a do ácido acético são metabolizados em acetato pelas bactérias
acetogênicas (2), produtoras obrigatórias de hidrogênio. Os principais produtos
encontrados após a digestão do substrato por estes dois grupos de bactérias são o
hidrogênio, o dióxido de carbono e o acetato.
Em seguida pode ocorrer ou a conversão do hidrogênio e do dióxido de carbono
pelas bactérias acetogênicas (3) em acetato, ou pelas metanogênicas oxidadoras de
hidrogênio (4) em metano e dióxido de carbono, e o acetato pode ser convertido em
metano pelas bactérias metanogênicas aceticlásticas (5).
Figura 5 - Passos e grupos de bactérias envolvidas na biodigestão de matériaorgânica
(Fonte: adaptado de Nagamani e Ramasamy,1999).
Especialmente o último passo, a fase metanogênica, é responsável pela
transformação dos produtos metabólicos da fase acidogênica (metanol, ácido fórmico,
hidrogênio, ácido acético) e da fase acetogênica (ácido acético, hidrogênio), em
metano e dióxido de carbono, ambos substâncias voláteis, que evaporam do sistema
e, portanto, não podem causar inibição do processo por acumulação. Portanto, o
42
processo da biodigestão continuará sem inibição, enquanto a alimentação continua
(ZIMMERMANN et al., 2003).
O processo descrito acima só se mantém estável quando todos os grupos de
bactérias envolvidos se encontram em equilíbrio e em condições ambientais adequadas, sendo que a perturbação da atividade de um dos grupos coloca todo o
sistema em colapso. A inibição da hidrolise e acidificação leva à escassez de substrato para as bactérias acetogênicas e metanogênicas. A perturbação da fase
acetogênica causa a acumulação de ácidos orgânicos, com pH baixando, o que tem
efeito negativo na atividade das bactérias metanogênicas, que, por sua vez, traz
como conseqüência o aumento da pressão parcial de hidrogênio e o enriquecimento
do substrato com acetato, o que impossibilita o metabolismo das bactérias acetogênicas. Portanto, o foco primordial na condução de um biodigestor tem que estabelecer e manter estável o equilíbrio mencionado acima (ZIMMERMANN et al., 2003).
O Quadro 2 mostra a composição típica do biogás obtido através da biodigestão
de estrume de gado. O teor de metano se encontra na faixa de 55% - 75%
(GRUBER, 2004), e 30% dos teores de metano observados se encontraram na faixa
de 56 até 60% de metano (GRUBER, 2005).
Composto
Metano (CH4)
Dióxido de carbono (CO2)
Água (H2O)
Nitrogênio (N2)
Oxigênio (O2)
Hidrato de enxofre (H2S)
Hidrogênio (H2)
Fonte: Gruber, 2004.
Concentração (% v/v)
55 – 75
25 – 45
2 (20 °C) – 7 (40 °C)
<2
<2
<1
<1
Quadro 2 - Composição típica do biogás
A maior parte (65%–96%) do metano produzido na biodigestão do estrume de
gado é derivada do acetato (WEBER et al., 1984; KALLE; MENON, 1984). No Quadro 3
estão representadas as principais reações padrões típicas que ocorrem dentro de
um biodigestor, e a energia livre associada.
43
Produtos
Energia livre
∆G Kj mol-1
Reações representativas
Glucose + 3 H2O
Glucose + 4 H2O
–
CH3COO + H2O
–
4 H2 + HCO3 + H+
–
4 H2 + 2 HCO3 + H+
Butirato + 2 H2O
Propionato + 3 H2O
Benzoato + 7 H2O
3 CH4 + 3 HCO3 + 3 H+
–
–
2 CH3COO + 2 HCO3 + 4 H+ + 4 H2
–
CH4 + HCO3 + H+
- 403,6
CH4 + 3 H2O
- 135,6
–
CH3COO + 2 H2O
–
2 CH3COO + H+ + 2 H2O
–
–
CH3COO + HCO3 + H+ + 3 H2
–
–
3 CH3COO + HCO3 + 3 H + 3 H2
- 104,6
- 206,3
- 31,0
+ 48,1
+ 76,1
+ 89,7
Quadro 3 - Reações típicas e energia livre dentro de um biodigestor
(adaptado de Nagamani; Ramasamy, 1999).
3.1.1.
Breve histórico do biogás
O biogás é uma mistura dos gases metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), com
traços de outros gases (Quadro 2), gerado através da decomposição microbiana de
materiais orgânicos sob condições anaeróbicas. Na natureza, o processo da decomposição anaeróbica microbiana da biomassa se dá na presença de elevada umidade.
Por exemplo, encontra-se produção de biogás em pântanos, no trato digestivo dos ruminantes, nas lavouras de arroz inundadas e no lixo urbano, depositado em lixões e
aterros sanitários.
O conhecimento e o aproveitamento do biogás têm uma longa tradição na história
humana. Na Europa, por exemplo, o fenômeno das chamas nos pântanos chamou a
atenção da população, tendo sido motivo de várias histórias e lendas. No ano 1776,
na Itália, o pesquisador Volta descobriu que a causa dessas chamas seria um gás
inflamável, produzido da decomposição do material orgânico nos pântanos. Logo em
seguida surgiu a idéia do uso deste gás inflamável como fonte de energia. Estima-se
que 1 m³ de biogás, com teor de metano ao redor de 60 %, contenha cerca de
6 kWh de energia.
A partir da metade do século XIX a evolução da tecnologia para o aproveitamento
desse gás foi acelerada, sendo que, no ano 1859, o biogás produzido a partir de
44
esgotos foi usado para fins de cocção e de iluminação, em Bombaim na Índia. No
ano de 1868, na França, Bechamp descobriu a origem microbiológica da formação
do biogás. Na Inglaterra, em 1895, o biogás gerado a partir do lodo de esgoto foi
usado para a iluminação pública na cidade de Exeter. Em 1910, na mesma cidade,
foi instalado um sistema de aquecimento do biodigestor, com o objetivo de aumentar
a produção do gás. Buswell, no final dos anos 20 do século passado explicou a
função do nitrogênio na biodigestão anaeróbica e calculou a estequiometria da
reação e a quantidade teórica de energia produzida a partir de diferentes resíduos
agropecuários, propondo que este processo fosse utilizado no tratamento de
resíduos agroindustriais (MARCHAIM, 1992).
Na Alemanha, em 1906, Imhoff sugeriu um sistema contínuo de biodigestão e em
1920 foi aplicado no tratamento de esgotos em 48 cidades alemãs, atingindo 4,6
milhões de habitantes, sendo que o biogás produzido nestas estações foi usado
como fonte de energia no próprio tratamento de esgotos. No ano de 1926, também
na Alemanha, carros movidos com motores a biogás engarrafado percorreram trechos experimentais entre 80 e 120 km e entre 1930-45 foram empregados esforços
para o desenvolvimento desta tecnologia, na busca da autonomia energética.
Após a segunda guerra mundial, com a abundante disponibilidade de petróleo a
baixo custo, a tecnologia da biodigestão e da geração de biogás estagnou o seu
desenvolvimento. Somente, com a crise mundial de energia, no ano 1973, e mais recentemente, com o aumento da conscientização sobre as questões ambientais relacionados à produção e uso da energia e à destinação adequada de resíduos sólidos
e líquidos, é que o desenvolvimento da tecnologia da biodigestão foi retomado.
Motivado pela intensificação da exploração nas atividades de produção animal e
pelo aumento dos preços de fertilizantes químicos, no setor agropecuário foram
promovidos os maiores avanços na tecnologia de biodigestão. No caso da Alemanha
a preocupação com as mudanças climáticas provocadas pelo aumento na
concentração dos GEE na atmosfera e os impactos ambientais causados pelos
resíduos orgânicos não tratados conduziram a uma política de subsídios e de
incentivos fiscais para a geração de energia renovável, que tem promovido o
desenvolvimento da tecnologia da biodigestão (ZELLER, 2002).
45
Várias soluções e aplicações têm sido desenvolvidas e adaptadas ao longo do
tempo, englobando diferentes tipos de substratos orgânicos, como por exemplo, a
biodigestão de estrume de gado, em nível descentralizado, para o uso na cocção de
alimentos na Índia e na China, ou a geração industrial de energia elétrica, como
mostram
vários
exemplos
na
Europa,
(BAADSTORP, 2004). Na Alemanha, por
em
exemplo,
especial,
na
Dinamarca
mais de 1500 fazendas
agropecuárias construíram biodigestores para tratamento de estrume de gado, com
o aproveitamento de calor e energia elétrica, produzidos através da cogeração. Nos
últimos anos, porém, muitos biodigestores estão sendo alimentados com cerca de 5
a 20 % de outros substratos orgânicos residuais de alta digestibilidade para
aumentar a produção de metano (LINKE; VOLLMER, 2002), entre eles, mais
recentemente, a glicerina bruta da produção do biodiesel (KRAUSE, 2003).
Na Alemanha e em outros paises da Europa é, a partir de 2005, obrigado o tratamento biológico de resíduos orgânicos sólidos ou semi-sólidos, antes de sua disposição em aterros sanitários. A portaria alemã sobre a deposição de resíduos “Verordnung über die umweltverträgliche Ablagerung von Siedlungsabfällen” (AbfAblV), de
2001, determina em seu anexo 15, que o teor em substâncias voláteis deve ser menor
que 5%, com o objetivo de impedir qualquer atividade microbiológica causadora de
emissões de chorume e metano. Portanto, a glicerina bruta oriunda da produção do
biodiesel, bem como outros resíduos orgânicos com alto teor em substâncias voláteis
só podem ser depositados em aterros sanitários após um tratamento adequado.
Por outro lado, pelas suas características físico-químicas e por se constituir numa
fonte de carbono de fácil degradabilidade microbiana, a glicerina pode ser utilizada,
em co-digestão com os demais resíduos orgânicos, para aumentar a produção de
metano, conforme resultados recentes, obtidos em experimentos laboratoriais, e
experiências empíricas. Amon et al. (2004), por exemplo, observaram um aumento
de 148% na produção de biogás de estrume de porco com a adição de apenas 6%
de glicerina bruta, enquanto Linke e Vollmer (2002) reportam aumentos da ordem de
três a quatro vezes, com a adição de pequenas quantidades de glicerina bruta ao
substrato de estrume de gado.
5
Anexo 1: Critérios para a alocação dos resíduos aos aterros sanitários
46
No entanto, ainda existe um déficit bastante elevado no ramo da biodigestão anaeróbica, relacionado à estrutura, composição e atividade da biocenose microbiana,
por exemplo, no que se refere aos substratos usados, condições da fermentação, tamanho e tipo dos biodigestores, com dados atuais relacionados à otimização do manejo baseado no estado microbiológico do processo da fermentação, já que cabe à
estrutura e ao estado da biocenose o papel decisivo a respeito de quantidade e qualidade do biogás, e, portanto, à rentabilidade econômica da biodigestão (LFL, 2005).
3.1.2.
Evolução dos estudos em biodigestão
A literatura avaliada indica que o enfoque dos experimentos, até recentemente, foi
voltado à degradação de matéria orgânica, ou seja, dos compostos voláteis (CV), para
fins da remoção de poluentes orgânicos presentes nos efluentes da produção industrial agropecuária (BORJA; BANKS, 1995; KALYUZHNYI et al., 1998; CAMPOS et al., 2006),
enquanto o volume e a qualidade do biogás gerado não estava no foco de interesse.
Neste contexto, no seu estudo sobre emissões de diferentes tratamentos de dejetos animais, Wulf et al. (2002) encontraram que os principais gases emitidos pelos
dejetos, quando armazenados sem tratamento, foram amônia (NH3) e metano (CH4) e,
quando aplicados no campo, as emissões foram dominadas pelos gases NH3 e N2O.
O NH3, apesar de não ser um GEE, pode ao entrar em contato com o solo ou durante
o armazenamento, ser oxidado e dar origem ao N2O, um GEE com elevada capacidade de aquecimento global. Os autores chegaram a conclusão de que a melhor
estratégia para se evitar a formação de GEE no manejo desses dejetos seria a sua
biodigestão e posterior aplicação e incorporação como fertilizante no solo (Tabela 2).
Tabela 2 - Emissões de CO2eq por m³ de estrume de gado, durante 80 dias
Estrume
Não tratado
Tratado pela biodigestão
Unidade
Armazenamento
-
CO2eq m ³
CO2eq m-³
6,8
0,1
Aplicação
2,7 - 9.1
3,4 - 7,9
Fonte: Wulf et al., 2002.
Amon, B. et al (2006) concluíram que mais de 90% das emissões de GEE do
estrume não tratado se dão, durante o armazenamento, na forma de metano e que a
biodigestão é um método eficiente para reduzir estas emissões, uma vez que a
emissão de uma tonelada de metano corresponde à emissão de 23 t de CO2eq
47
enquanto a combustão dessa mesma quantidade de metano causa somente 2,75 t de
CO2 (SHIH et al., 2006).
Por outro lado, a biodigestão pode aumentar as emissões de amônia. Na
biodigestão anaeróbica ocorre a degradação de mais compostos de carbono do que
no armazenamento sem tratamento e, conseqüentemente, mais nitrogênio é liberado
na forma de amônia. Os íons do amônio encontram-se em equilíbrio químico,
dependendo do pH, com a volátil e nociva amônia. Durante a biodigestão anaeróbica
o pH aumenta cerca de uma unidade, o que representa um aumento na
concentração de amônia em dez vezes, para uma dada concentração de nitrogênio
mineralizado. Uma maior concentração de amônia, em conjunto com pH elevado,
conduz a emissões mais elevadas. Portanto, ao se aplicar o efluente da biodigestão
devem-se tomar precauções para evitar que o líquido entre em contato com o ar.
Uma forma de minimizar este problema é através da sua aplicação próxima ao solo,
incorporando-o logo em seguida (EDELMANN, 2003).
Recentemente observou-se uma tendência nas publicações de experimentos
sobre biodigestão, priorizando a otimização da eficiência dos processos para a produção de biogás. Neste contexto, foram realizados experimentos com vários tipos de
substratos, tais como: resíduos agropecuários (MØLLER et al., 2004), vários tipos de
resíduos orgânicos, como, por exemplo, resíduos de feiras livres e centrais de
abastecimento de frutas e verduras (RAJESHWARI et al., 2003),
OU
misturas de
resíduos de sisal com restos de peixe (MSHANDETE et al., 2004), ou ainda de biomassa cultivada exclusivamente para a produção de biogás, como a cultura do milho
e alguns tipos de gramíneas (AMON, T. et al., 2006) com o objetivo de caracterizar
estes substratos para sua aptidão na produção de biogás e ganhar experiência no
desenvolvimento da biocenose, com vistas à aplicação prática no planejamento e na
alimentação de biodigestores em escala industrial (VDI, 2004). Embora seja
recomendado a adição de até 4 g L-1 de CV, para manter estabilidade de processo,
pode-se, para otimização industrial do processo em biodigestores de alto desempenho, elevar a carga orgânica até valores ao redor de 6 g L-1 d1 (JUCKENACK, 2005).
O estrume de gado, sendo um dos substratos mais usados nos biodigestores
rurais em todo o mundo (KVIC, 2005; WORLD BANK, 2005), é uma substância escura
e viscosa, composta pela mistura de fezes e urina. Embora os compostos voláteis,
48
especialmente os de fácil degradação, já tenham sido digeridos amplamente pelos
microorganismos do rúmen, os dejetos dos bovinos ainda apresentam matériaorgânica para a geração do biogás.
A alimentação fornecida aos animais tem uma influência significativa na
quantidade e no teor do biogás produzido. Com relação á qualidade nutricional do
efluente, ou biofertilizante, um dos parâmetros de maior interesse é o teor de
nitrogênio, que está, segundo um estudo de Riemeier (2004), em estreita
dependência com a alimentação dos animais (qualidade e quantidade).
O rendimento em biogás da biodigestão de estrume de gado encontra-se entre
18 mL g-1 (REINHOLD, 2005), 20 mL g-1 (BAERING, 2001; BOXER-INFODIENST, 2005) até
36 mL g-1 (ROOST, 2002, em BESKEN; KEMPKENS, 2004) de substrato fresco e
depende, entre outros fatores, do teor da matéria seca e da qualidade e do nível da
alimentação dos animais. Os teores de matéria seca encontram-se entre 8% e 20%,
dependendo do sistema de coleta de estrume, e os teores de matéria orgânica por
volta de 80% da matéria seca, dependendo da qualidade e do nível da alimentação
do rebanho. Segundo Tomlinson et al. (1996), o teor de nitrogênio no estrume possui
uma estreita relação com o consumo de matéria seca pelo gado.
Embora já existam, na literatura, uma série de dados sobre o rendimento em
biogás de vários substratos orgânicos, os estudos científicos que contemplam os
efeitos sinergéticos ou adversos da co-digestão da glicerina bruta oriunda da
produção do biodiesel, ainda são poucos e recentes, especialmente se considerar
estas aplicações nas condições climáticas do trópico úmido.
A glicerina bruta, devido ao seu alto teor de carbono de alta digestibilidade, représenta uma fonte excelente de energia para os microorganismos, porém, pela ausência de nitrogênio e de outros nutrientes em sua composição, a glicerina bruta não
pode ser aproveitada como substrato único. É necessária a adição de outros substratos ricos em nitrogênio e minerais para completarem a oferta de nutrientes aos
microorganismos. Os limites superiores de CV recomendados para a carga orgânica
são baseados numa digestibilidade média e não consideram substratos com
digestibilidade elevada para a matéria orgânica. Portanto, a glicerina, pelo seu alto
teor em matéria-orgânica de alta digestibilidade, pode comprometer a estabilidade
do processo, mesmo garantido o limite superior de 4 g L-1 (FISCHER, 2002).
49
A aptidão da glicerina bruta para a co-digestão com resíduos orgânicos é atualmente foco da atenção dos cientistas europeus. Por enquanto existem poucas, mas
promissoras, experiências empíricas a respeito da aptidão dessa substância para a
co-digestão (KRAUSE, 2003; LÖHRLEIN, 2005), devido ao fato do problema do crescimento da oferta de glicerina oriunda da produção de biodiesel na Europa ser recente.
3.1.2.1.
Condução de experimentos na biodigestão
Antes de projetar e construir um biodigestor para o tratamento de resíduos
orgânicos é fundamental a condução de estudos para avaliar o comportamento e o
potencial dos substratos na biodigestão anaeróbica (TCHOBANOGLOUS; BURTON, 1991,
citados por WILKIE et al., 2004). Os experimentos podem ser conduzidos em sistema
batelada ou em sistema contínuo.
Como descrito no manual de ensaios de biodigestão da Associação Alemã de
Engenheiros (Verein Deutscher Ingenieure, VDI, 2004), os testes em sistema
batelada geralmente são conduzidos da seguinte maneira. No início, a quantidade
determinada de substrato é introduzida dentro de um vasilhame vedado a gás,
contendo inóculo, o qual, para manter as condições anaeróbicas, é mantido fechado
e no escuro, num nível de temperatura determinado, segundo as necessidades da
biocenose (criofílico, mesofílico ou termofílico). A quantidade de biogás que se forma
é medida diariamente até cessar a geração de biogás, ou seja, até que a quantidade
de biogás formada diariamente não ultrapasse 1% da quantidade total de biogás
formada até esta data. A avaliação do processo se dá através da quantidade e da
qualidade do biogás formado, além da velocidade em que foi gerado.
No sistema em batelada não é previsto a adição de substrato ou a retirada de
efluente, durante o período do experimento.
Os testes em sistema batelada permitem informações sobre:
•
A degradabilidade anaeróbica e a avaliação básica do rendimento de
biogás, do substrato testado;
•
a avaliação qualitativa da velocidade da degradação microbiana do
substrato testado;
•
a avaliação qualitativa da ação inibitória do substrato e na faixa de
concentração testada.
50
Porém, os testes em batelada não permitem informações sobre:
•
A estabilidade do processo em reatores alimentados com o substrato ou
misturas de substratos, de maneira contínua;
•
efeitos sinergéticos dos substratos que podem influenciar o rendimento
de biogás na prática;
•
os limites da carga orgânica, do substrato testado.
Os testes de biodigestão em sistema batelada normalmente são conduzidos em
vasilhames de 0,5 L, 1 L ou 2 L, e em duplicata ou triplicata (VDI, 2004).
Recentemente, foi desenvolvido um teste de biodigestão simples que trabalha
com volumes de inóculo de 30 mL e de substrato de 500 mg, o chamado teste de
Hohenheim (HELFFRICH; OECHSNER, 2003).
Os testes em sistema (semi-)contínuo usam vasilhames (reatores) equipados com
tubos para alimentação, saída do biogás e retirada do substrato, e são mantidos em
temperaturas segundo às necessidades da biocenose, no escuro e vedados ao ar.
No início do experimento, o reator é alimentado com uma determinada quantidade
de inóculo e a seguir é alimentado em intervalos, já que, pelas pequenas
quantidades, uma alimentação automatizada que seja realmente contínua, não é
tecnicamente possível. A alimentação do reator se dá, então, uma ou duas vezes
por dia, via regra manualmente, aumentando a cada duas semanas a quantidade de
substrato a ser testado conforme à estabilidade do processo. Em cada alimentação,
uma quantidade de efluente, correspondente à quantidade de substrato adicionado,
é retirada do biodigestor. A produção do biogás é medida diariamente.
Os testes da biodigestão em sistema contínuo permitem informações sobre:
•
A estabilidade do processo frente a carga orgânica, tempo de residência
média;
•
fases do processo, formação e acumulação de produtos metabólicos e
sua influência sobre a estabilidade e a eficiência do processo;
•
reações a sobrecargas ou variações ambientais devido à composição e
à qualidade do substrato;
•
inibições e limitações no funcionamento contínuo.
O tamanho mínimo dos reatores depende, por um lado, das necessidades de manuseio e dos detalhes de construção, tais como, instalação de instrumentos para me51
dição e agitação, o diâmetro dos tubos para a alimentação dos reatores e a retirada
do efluente. Por outro lado, o esforço para o transporte, a armazenagem adequada e
a preparação do substrato, bem como a deposição ambientalmente correta dos resíduos, aumenta com o tamanho dos reatores. Portanto, adotou-se, na pratica, o dimensionamento de reatores laboratoriais entre 4 L e 2 m³ (WILKIE et al., 2004, VDI 2004).
3.1.2.2.
Modelos de biodigestores para biodigestão de resíduos
orgânicos
O crescente interesse no uso de biogás como fonte de energia renovável levou ao
desenvolvimento de novos tipos de biodigestores para o tratamento de resíduos
viscosos e semi-sólidos, com eficiência elevada, já que o processo da biodigestão
está limitado pela taxa de crescimento muito baixa da biocenose envolvida, o que
exige tempos de residência elevados, para que o substrato adicionado seja
decomposto suficientemente.
Portanto, é importante impedir o arraste da biocenose, como acontece em
reatores convencionais com sistema contínuo de agitação (continuously stirred tank
reactors, CSTRs), para alcançar maior eficiência e estabilidade do processo, como
realizado nos biodigestores tipo UASB6 que é considerado um dos processos
anaeróbicas com eficiência maior (BJÖRNSSON, 2002; KALYUZHNYI et al., 1998).
Num reator não-agitado, o substrato tende a formar, com o tempo, diferentes camadas devido às diferenças de densidade encontradas nos componentes do substrato. Devido a sua maior densidade, grande parte da biomassa presente no substrato tende a ocupar as partes inferiores, enquanto o substrato em processo de digestão encontra-se nas partes superiores do biodigestor, limitando os processos de
biodegradação do substrato. Além disso, as substâncias mais leves do substrato
tendem a formar uma camada flutuante dentro do biodigestor, dificultando a emergência do biogás. Portanto é importante a agitação do conteúdo do reator para
facilitar o contato das bactérias com o substrato. Por outro lado, uma forte agitação
do substrato deve ser evitada para não comprometer a simbiose das bactérias
acetogênicas e metanogênicas pela ação da tensão de corte. Estes grupos de bac-
6
Upflow Anaerobic Sludge Bed – fluxo ascendente em leito de lodo.
52
térias vivem e agem juntos na formação do biogás. Na prática adota-se uma solução
de compromisso através do uso de agitadores intermitentes de baixa rotação por
curtos períodos de tempo (WETTER; BRÜGGING, 2005).
3.1.3. Parâmetros do monitoramento do processo da
biodigestão
Especialmente na mudança e no aumento da alimentação (aumento da carga
orgânica) do biodigestor podem ocorrer perturbações da capacidade metabólica das
bactérias acetogênicas e metanogênicas e até colapsos na biocenose, causados pelo
aumento de ácidos voláteis (HOFFSTEDE et al., 2005). Sendo assim decisiva a
supervisão do processo da biodigestão através de parâmetros que permitam a
detecção da existência e da causa de perturbações, antes que elas possam conduzir
a um colapso no funcionamento do sistema (SCHOLWIN et al., 2005).
A biodigestão normalmente é conduzida na faixa mesofílica, ou seja, em
temperaturas entre 25 e 40 °C, já que o processo se mantém mais estável em
comparação à faixa termofílica (> 45 °C). Na Alemanha, 85% dos biodigestores
rurais operam na faixa de temperaturas mesofílica (SCHOLWIN et al., 2005).
O processo criofílico é pouco usado, porém viável, e se dá na faixa de
temperaturas de 10 – 15 °C. Embora mostrando altas taxas de decomposição e
rendimento de biogás, é muito demorado (BJÖRNSSON, 2002).
As bactérias metanogênicas são altamente sensíveis às mudanças da temperatura,
e a produção de metano sofre um declínio forte quando as temperaturas caem abaixo
de temperaturas ambientais (25 °C) (KALLE; MENON, 1984), ou sobem acima de 40 °C,
na faixa mesofílica (BJÖRNSSON, 2002), enquanto as bactérias hidrolíticas e
acidogênicas continuam ativas. Isso tem como conseqüência o enriquecimento do
processo com ácidos graxos voláteis e a diminuição do pH do meio. Portanto, o monitoramento da temperatura do reator é imprescindível (SCHATTAUER; WEILAND, 2005).
A medição do pH é simples, rápida e não exige aplicação de tecnologia
sofisticada, porém não é recomendável como único parâmetro de controle, por que o
aumento do teor de ácidos graxos, na supercarga do reator com compostos voláteis
de fácil digestibilidade, não leva imediatamente a valores de pH menores devido a
alta capacidade de tampão de determinados tipos de substratos. Exemplos são, o
53
estrume de gado, e, especialmente a glicerina bruta oriunda da transesterificação
alcalina, devido à presença do hidróxido de sódio. Sendo assim, o processo já pode
estar seriamente comprometido antes que seja possível detectar alterações através
da medida do pH, levando a um colapso de organismos sensíveis à presença destas
substâncias (SCHATTAUER; WEILAND, 2005). Porém, em outros sistemas com
capacidade tampão menor, uma pequena mudança na alimentação pode refletir em
valores de pH mais baixos (BJÖRNSSON et al, 2000).
A
produção
do
biogás,
normalmente,
aumenta
segundo
as
fases
de
desenvolvimento e adaptação da biocenose: a partir da fase de lançamento do
biodigestor, a produção do biogás aumenta gradualmente, até chegar numa fase de
equilíbrio, onde o substrato adicionado e a formação do biogás se encontram em
equilíbrio, visível na produção estável do biogás, ao longo do tempo (REIPA, 2003).
Embora a quantidade de gás produzida ser um dos parâmetros que mais
interessa do ponto de vista econômico, com medição simples e que reflete diretamente a atividade da biocenose, ela não é um parâmetro ideal para o monitoramento
do processo. Isso se deve a sua baixa sensibilidade em relação à supercarga do
biodigestor, alem da diminuição da produção do biogás somente acontecer depois
que o processo estiver seriamente comprometido ou já falido (BOE, 2006).
A produção de metano, por estar diretamente relacionada à atividade das bactérias metanogênicas, constitui o parâmetro mais adequado para monitorar o funcionamento do sistema, tendo em vista que estas bactérias são as responsáveis pela
última fase na cadeia da biodigestão (MICHAUD et al, 2002). Porém, apenas a produção de metano como indicador da estabilidade do processo não é suficiente, por
que não reflete as variações de estado dentro do reator (MECHICHI; SAYADI, 2005).
3.2.
Problemas relacionados à secagem do cacau
A área cultivada com cacau no Sul da Bahia foi drasticamente reduzida nas últimas
três décadas, tendo como fator principal uma doença provocada pelo fungo Crinipellis
perniciosa, popularmente conhecida por “Vassoura de Bruxa”. Até pouco mais de
duas décadas a lavoura do cacau se constituía na atividade econômica mais
importante na região e apesar da redução da área plantada, o cacau continua sendo
uma cultura de grande importância do ponto de vista social, econômico e ambiental
54
nesta região, principalmente devido à sua importância como fonte de renda em
pequenos e médios estabelecimentos rurais, à demanda por cacau pelo mercado
internacional e à sua relativa compatibilidade com as ações de conservação dos
remanescentes de Mata Atlântica na região.
Recentemente, como resultado das ações integradas de combate á doença, a
produção de cacau voltou a crescer, possibilitando uma recuperação econômica e
social de assentados da reforma agrária, pequenos e médios agricultores da região.
A região Sul da Bahia abriga hoje mais de 100 assentamentos de reforma agrária,
totalizando em torno de 7000 famílias, a maioria dependente da cultura do cacau
(WINROCK INTERNATIONAL BRASIL, 2005).
Uma das etapas mais importantes do beneficiamento na produção do cacau é a secagem das amêndoas. Nesta etapa reduz-se o teor de água da amêndoa recém fermentada de uma umidade inicial entre 50 e 55% para 7 a 8%, garantindo assim a qualidade da amêndoa durante o transporte e o armazenamento. O suprimento de energia para a secagem das amêndoas de cacau se constitui numa preocupação para a
maioria dos agricultores, seja pelas restrições no uso, pela escassez de recursos
naturais ou pelos crescentes custos dos combustíveis fósseis, como o GLP.
Na maioria das propriedades cacaueiras da Bahia, a secagem é realizada através
da exposição direta da amêndoa ao sol, em estruturas conhecidas como barcaças,
constituídas de um teto móvel sobre roldanas e trilhos, em geral de telha metálica e
um piso fixo feito de tábuas. As amêndoas levam entre 7 e 20 dias para atingirem a
umidade ideal, dependendo da quantidade e das condições do tempo. Devido à alta
umidade relativa do ar na região e de períodos prolongados de chuva é comum o
cacau mofar durante o processo, o que por um lado implica em aumento da mão-deobra, uma vez que as amêndoas necessitam serem novamente “pisoteadas” para
remover o mofo e por outro levam à perda da qualidade ou perda total das amêndoas.
A solução técnica adotada para contornar este problema é a secagem artificial do
cacau, através do uso de fornalhas à lenha ou GLP (gás liquefeito de petróleo) como
combustível, uma vez que no Brasil o uso de combustíveis líquidos derivados do
petróleo, na secagem de produtos agrícolas, é proibido por lei (REINATO ET AL, 2002).
A combustão direta de lenha constitui o uso mais simples e comum da biomassa,
sendo ainda hoje responsável pelo suprimento energético de subsistência de uma
55
grande parte da humanidade. Na América Latina, 12% da energia primária consumida,
com valor de cerca de US$ 12 bilhões por ano, é realizada na forma de lenha, sendo
os principais usos: a produção de carvão vegetal, a cocção de alimentos, o uso em
fornalhas para aquecimento de ar para secagem de produtos agrícolas, a produção de
energia térmica em geradores de vapor para processos industriais e a geração de
energia elétrica. No Brasil, em 2003, o setor residencial e a produção de carvão
consumiram 25,7 e 34 milhões de toneladas de lenha, equivalentes a 31% e 41% da
produção nacional de lenha, respectivamente (SALES MEDRADO ET AL., 2001).
Grande parte da extração e da utilização da lenha no Brasil ocorre, porém, de
forma insustentável, causando grandes prejuízos à biodiversidade, ao solo e aos
recursos hídricos. O uso final se dá ainda utilizando processos ineficientes de
conversão, como a combustão em fogões abertos, com baixa eficiência de
aproveitamento energético e alto nível de emissões atmosféricas, contribuindo
adicionalmente para o aproveitamento irracional dos recursos naturais.
Na produção e processamento de produtos agrícolas, cerca de 60% da energia
utilizada se dá na etapa de secagem. Além destes aspectos, alguns produtos, como
o café despolpado, as sementes de cacau e as frutas e hortaliças, requerem
aquecimento indireto do ar de secagem por meio de fornalhas a fogo indireto.
O rendimento destes equipamentos é em geral baixo, situando-se em torno de 11
a 16% (COSTA; CARDOSO, 2001) ou 35% (LOPES et al., 2000). A baixa eficiência do
uso da lenha em fornalhas deve-se, entre outros aspectos, à heterogeneidade do
material utilizado, ao uso de lenha de baixa qualidade (baixo PCI) e ao uso de lenha
com altos teores de umidade (SALES MEDRADO et al., 2001).
Na Região Sul da Bahia o período da maior colheita de cacau coincide com a
época mais chuvosa do ano, ou seja, onde a secagem natural ao sol é limitada pelas
condições climáticas. Com isto, a recente recuperação da produção do cacau na
região tem sido acompanhada pelo aumento proporcional do consumo de lenha, em
sua maior parte, extraída ilegalmente de florestas naturais e comprometendo a
conservação dos remanescentes florestais de Mata Atlântica na região.
O aumento do consumo de lenha conduz ao fenômeno da escassez relativa, ou
seja, áreas de exploração próximas e economicamente viáveis estão se tornando
56
cada vez mais escassas e distantes dos consumidores, aumentando assim, os
custos de exploração e transporte.
A retirada de lenha da floresta, além de ser intensiva em mão-de-obra, necessita
adicionalmente de transporte de carga animal, ambos, recursos escassos que
poderiam ser aplicados em outras tarefas de maior retorno sócio-econômico em
unidades de produção familiar.
A secagem artificial do cacau em fornalha pode também ser realizada utilizando
combustíveis gasosos. O gás utilizado na região, por falta de infra-estrutura para o
suprimento do gás natural, é o gás liquefeito de petróleo (GLP), um hidrocarboneto
fóssil, co-produto da extração de gás natural e do refino do petróleo, constituído por
uma mistura de 30% de propano (C3H8,) e 70% de butano (C4H10,).
A utilização do GLP na secagem de cacau é eficiente e prática, possibilitando, por
exemplo, um melhor controle das temperaturas do ar e da massa de amêndoas; a
eliminação de possíveis odores de fumaça nas amêndoas secas, e o emprego racional da mão-de-obra, na medida em que prescinde da vigilância contínua ao longo
da operação de secagem. Do ponto de vista ambiental, estima-se que o consumo de
uma tonelada de GLP evita a derrubada de 50 árvores (REINATO et al., 2002). Por
outro lado, os aspectos negativos da utilização do GLP são os altos custos, a
emissão de GEE na sua combustão, bem como na sua produção e transporte.
Concluindo, o uso da lenha para fins de secagem de cacau, embora ainda uma fonte
de energia barata e disponível na região, se manejada e utilizada de forma insustentável pode causar diversos impactos ambientais associados ao desmatamento de
florestas nativas e à emissão de poluentes atmosféricos. Por outro lado, a combustão
do GLP, uma fonte de energia eficiente e de fácil utilização, é economicamente inviável,
pelos altos custos associados ao GLP e pela sua contribuição com emissões de GEE.
Neste sentido, justifica-se o estudo de fontes alternativas de energia para a
secagem de produtos agrícolas na região, que associem sustentabilidade econômica
e ambiental.
57
3.3.
Combustíveis tradicionais
3.3.1.
Lenha
A lenha apresenta uma grande diversidade de características físico-químicas de
acordo com a aplicação que se deseje dar a ela. O teor de umidade, a composição
química e o poder calorífico da lenha são aspectos importantes na avaliação
energética e ambiental deste combustível.
3.3.1.1.
Aspectos energéticos da lenha
O teor de umidade da lenha recém cortada varia entre 40 e 50% e somente quando
empilhada num lugar protegido da chuva por um tempo prolongado de dois ou três
anos, a umidade média da lenha baixa aproximadamente a 25% (DALPASQUALE et
al., 1991).
Tabela 3 - Propriedades de lenha de diferentes procedências
Tipo de lenha
Densidade aparente
Umidade nominal
(kg m-³)
Madeira Nativa
400 – 500
Eucaliptos
450 – 550
Acácia
380 – 480
Pinus
380 – 480
Fonte: Arauterm, 2006, adaptado.
(%)
20 – 60
20 – 60
20 – 60
20 – 60
Poder calorífico inferior
(PCI)
(MJ kg-1)
13,79 - 5,74
14,16 – 5,87
14,67 – 6,70
14,96 – 6,29
O poder calorífico inferior da lenha (PCI) varia em função do tipo de lenha utilizada (Tabela
3) e do teor de umidade da lenha (Gráfico 12). Observa-se que o poder calorífico da lenha
recém cortada, e com teor de umidade alta (50%), apenas alcança 56% do poder calorífico da
lenha armazenada seca, com 20% de umidade.
58
20
MJ kg -1
15
10
5
0
20
25
30
35
40
45
50
55 % umidade 65
Gráfico 12 - Relação entre teor de umidade e PCI, na lenha
(Fonte: adaptado de Arauterm, 2006).
A eficiência energética da lenha, quando usada como combustível na fornalha de um
secador rotativo com calor indireto, foi estimada em 11 a 16% (Costa; Cardoso, 2001).
3.3.1.2.
Emissões causadas pela lenha
Em termos de emissões de gases causadores de efeito estufa, são emitidos cerca
de 500 g de CO2 kg-1 de lenha, devido ao carbono contido na lenha, A queima da
lenha não contribui para o aumento da concentração do CO2 na atmosfera, desde que
o corte e a queima fossem feitos em equilíbrio com a taxa de crescimento, ou seja, se
não for usado mais do que está sendo fixado pela fotossíntese, num determinado
período de tempo (KAMMEN et al., 2003). Ou seja, a madeira que não for cortada e
oxidada, mas deixada em pé na floresta, contribui para o seqüestro de carbono.
A
combustão
incompleta
da
lenha
-1
provoca
-1
emissões
de
metano
de
-1
0,0339 kg GJ , e de N2O de 0,00136 kg GJ , o que resulta em 1,183 kg GJ
CO2eq (PROBAS, 2006).
59
de
3.3.1.3.
Aspectos econômicos da lenha
Os preços pagos pelo m³ st7 da lenha mostram ampla variação, de R$ 8,00 no Rio
Grande do Norte, até R$ 25,00 no Sul e Sudeste do país (CASTRO; PACHECO, 2005). O
preço de oportunidade adotado, baseado na média destes preços foi de R$ 16,50.
Pela lei 4771/65, todas as pessoas físicas ou jurídicas que explorem, utilizem,
transformem ou consumam matéria-prima florestal, estão obrigadas a replantar
árvores. No Estado da Bahia, esta reposição é regida pelo Decreto Nº 7.396 de 04
de agosto de 1998, no artigo 20, citado a seguir (SEAGRI, 1998):
[...] Para o cumprimento da Reposição Florestal Obrigatória, serão
observados os parâmetros abaixo, e no que couber, às disposições da
Instrução Normativa nº 01, do Ministério de Meio Ambiente, dos Recursos
Hídricos e da Amazônia Legal:
§ 1º - Para o cálculo do valor do recolhimento da Reposição Florestal
Obrigatória serão utilizados, opcionalmente, os seguintes fatores de
conversão:
-
8 árvores/m³ - oito árvores por metro cúbico de toras;
-
6 árvores/st - seis árvores por estéreo de lenha ou torete;
-
12 árvores/mdc - doze árvores por metro cúbico de carvão vegetal.
§ 2º - A ARF poderá definir os valores a serem recolhidos em seu favor,
obedecendo aos limites mínimos estabelecidos na legislação específica.
Os consumidores de matéria-prima florestal que não conseguem realizar o replantio
são obrigados a recolher anualmente a taxa de Reposição Florestal, pelo consumo de
matéria prima vegetal. O valor/árvore determinado atualmente pelo governo é fixado
em R$ 0,30 (Associação de Recuperação Florestal do Médio Tietê, 2006). Os custos
para formação e maturação de um maciço florestal, até o sétimo ano, foram
calculados em cerca de R$ 2.000,00 por hectare (AMBIENTEBRASIL, 2006).
As florestas nativas na região, segundo estudos, apresentam entre 700 (Alves, citado
por Sambuichi, 2001) e 2.450 (Thomas et al., citado por Sambuichi, 2001) árvores, com
limite mínimo de 10 cm e 5 cm, respectivamente, de diâmetro na altura do peito.
7
A unidade primária da lenha é o metro cúbico estéreo (m³ st).
60
3.3.2.
GLP
O GLP é um hidrocarboneto obtido como sub-produto de duas fontes: o processamento do gás natural e do refino do petróleo. O gás natural, surgindo do poço,
contém metano e outros hidrocarbonetos leves. Numa planta de processamento,
usando temperaturas baixas e pressão alta, os componentes líquidos dos hidrocarbonetos como o etano, o propano e o butano, bem como os hidrocarbonetos mais
pesados, são separados. O propano e o butano também são produzidos durante o
refino do petróleo, como co-produtos dos processos que re-agrupam e/ou quebram as
estruturas moleculares para obter compostos de petróleo mais desejados.
Como mostra o Gráfico 13, a proporção do GLP na produção de derivados de
petróleo, com 8,3%, é comparativamente pequena.
Outros
6,3%
Óleo Diesel
30,3%
GLP
8,3%
Gasolina A
17,1%
13,6%
Naphta
24,4%
Óleo combustível
Gráfico 13 - Produção de derivados de petróleo na Bahia, no ano 2006
(Fonte: ANP, 2006).
Os componentes do GLP são gases, em temperaturas e pressão normais, mas
podem ser liquefeitos facilmente para armazenamento, com aumento da pressão até
8 atm ou a diminuição da temperatura (BEER, 2004).
O GLP no Brasil é formado por uma mistura dos gases propano e butano, sendo
que a proporção varia conforme a região consumidora devido à variação das
características físicas de liquefação e vaporização (BRASILGAS, 2006).
O GLP tem densidade de vapor de 1,2 a 2,0, maior que a do ar, o que significa,
que em caso de vazamento, o gás tende a ficar acumulado junto ao chão. Em
temperaturas normais, o gás fica líquido quando submetido à relativamente baixa
61
pressão. Na fase líquida ocupa somente 1/270 do seu volume na fase gasosa. 1 m³
equivale a 2,5 kg, e o poder calorífico do GLP é de 45,9 MJ kg-1 (GEMIS, 2006). A
eficiência do GLP, quando usado em fornalhas de secadores rotativos com calor
indireto, varia entre 45,8 é 60 % (REINATO et al., 2002). As propriedades do GLP são
apresentadas no Quadro 4.
O GLP para consumo doméstico é vendido em botijões de 13 kg. No segmento comercial como, por exemplo, shopping centers, hotéis, condomínios, restaurantes, lavanderias e hospitais, a distribuição do GLP é feita principalmente através do abastecimento direto de tanques instalados nestes estabelecimentos, por caminhões especiais.
Quadro 4 - Propriedades do GLP
Item
Composição
Densidade
Poder calorífico inferior (PCI)
Expansão (fase líquida para fase gasosa)
Emissões de CO2eq
Unidade
kg m-³
GJ t-1
t GJ-1
Valor
Propano (30-60%), butano (40-70%)
2,5
45,9
270 vezes
0,064
Fonte: GEMIS (2006), Minasgas (2006).
3.3.3.
Biogás
As propriedades do biogás foram descritos no item 3.1.1 e a composição do gás se
encontra no Quadro 2. O Gráfico 14 mostra a relação do poder calorífico do biogás
com o teor de metano que pode variar entre 45 e mais que 70%, dependendo da
composição e dos teores de nutrientes usados na alimentação do biodigestor,
principalmente os teores de carboidratos de fácil decomposição, gorduras e proteínas.
62
30
MJ m³ -1
25
20
15
50
55
60
65
70
% metano
75
Gráfico 14 - Relação do poder calorífico com o teor de metano no biogás.
Na avaliação ambiental deve-se levar em consideração também a quantidade de
GEE emitida sem nenhum tratamento de estrume, num cenário de base. Apesar das
medidas de segurança, observações e levantamentos apontam que na prática as
perdas podem chegar a 5% do biogás produzido (KRIEGL et al, 2005; PÖLZ;
SALCHENEGGER, 2005).
A quantidade de metano formada durante a decomposição dos resíduos é
influenciada pelas condições ambientais, tais como, temperatura ambiental e
ocorrência de chuvas, além do tipo de manejo e armazenamento destes resíduos.
Nas condições do trópico úmido, com altos índices pluviométricos, e com o tipo de
armazenamento do estrume na Fazenda Cascata (armazenamento em fossa em
estado semi-sólido até ser levado para o campo), espera-se como cenário de base
uma taxa de emissão de metano elevada, já que a atividade microbiana aumenta
proporcionalmente com a temperatura, e o manejo adotado favorece a formação de
condições anaeróbicas (IPCC, 1996, 2000).
3.3.4.
Consumo de combustíveis na cocção de alimentos
Segundo o relatório da Winrock International Brasil (2002), as 40 famílias dos assentados utilizam o GLP para cocção doméstica e consomem, em média, 1 botijão
de GLP por mês (R$ 36,008), somando 480 botijões por ano.
8
preço de venda móvel da BRASILGÁS em Ilhéus no ano de 2006.
63
4. Material e métodos
4.1.
Delimitação da área e do objeto de estudo
Regionalmente, encontram-se vários tipos de resíduos orgânicos com aptidão para
a biodigestão, caracterizados pelos seus altos teores de matéria orgânica. Destacamse, na região, os resíduos das atividades agropecuárias e os das atividades turísticas.
Neste trabalho foi escolhida a Fazenda Cascata, município de Aurelino Leal, para
coleta de amostras de resíduos orgânicos e os cálculos de viabilidade econômica da
produção do biogás. As justificativas para escolha da Fazenda Cascata como
referência para os cálculos de viabilidade são, além da relevância em termos de
utilização do principal substrato, a possibilidade de aplicação dos resultados da
pesquisa, tendo em vista, que a Fazenda dispõe de um biodigestor e já utiliza o
biogás na secagem do cacau e o biofertilizante, na adubação. O principal resíduo da
propriedade é o estrume de gado bovino criado em regime de semiconfinamento.
O projeto de assentamento da reforma agrária “Cascata”, ou Fazenda Cascata,
está situado no município de Aurelino Leal no sul da Bahia, a 380 km de Salvador e
a 60 km de Ilhéus (Figura 6).
Figura 6 - Localização geográfica da unidade participante no estudo
(Fonte: Google Earth, 2006).
64
Com 40 famílias assentadas em 587 hectares, o assentamento produz cacau orgânico certificado através do selo de qualidade do Instituto Biodinâmico de Desenvolvimento Rural (IBD). Além do cacau, o assentamento cultiva banana e realiza atividades
de extrativismo de frutas regionais, como o cajá, a jaca, o jambo, etc.. Para garantir
mais diversidade econômica, foi implantando um projeto de pecuária mista (de corte e
de leite), sendo o rebanho atual constituído de 40 cabeças de gado de leite e de corte.
Em março de 2005, foi inaugurado um biodigestor na Fazenda, tendo como principal
substrato, o esterco bovino. O assentamento Cascata foi o primeiro assentamento na
região a utilizar a tecnologia da biodigestão, combinando duas soluções ecologicamente
vantajosas, o uso do biogás em substituição à lenha nativa na secagem do cacau e o
do biofertilizante na adubação de cultivos orgânicos (INCRA, 2005).
A coleta de dados gerais da propriedade e específicos sobre a atividade agropecuária (número e porte dos animais, manejo, quantidade de estrume produzido,
etc.) e do biodigestor foram levantados durante cinco visitas realizadas entre
novembro de 2003 e maio de 2006 através de entrevistas semi-estruturadas com
responsáveis pelo biodigestor e pelo assentamento (Formulário no Anexo).
O rebanho fica confinado durante 8 horas no curral, onde recebe ração em forma
de capim. O curral foi construído de tal forma a facilitar o manejo dos dejetos
animais, com piso de concreto em desnível direcionado para uma caixa coletora,
evitando-se assim perdas de substrato e contaminação de áreas vizinhas.
Na propriedade são produzidos diariamente cerca de 18 m³ de biogás (120 kWh),
com conteúdo energético aproximado de 12 L de diesel comum (ALMEIDA ET AL., 2006).
4.2.
Experimento da biodigestão
Para a condução do experimento da biodigestão foram construídos quatro
biodigestores laboratoriais, descritos no item 4.2.1.
O desenho experimental do processo foi do tipo biodigestão semi-contínua, com
alimentação diária, sendo adotado um tempo de operação que correspondesse no
mínimo a três vezes o tempo de residência. Foram usados quatro biodigestores,
sendo um controle e três biodigestores utilizados para testar a glicerina em três
diferentes proporções.
65
O desenho do experimento está indicado na Tabela 4. Como controle foi usado
um biodigestor operado com estrume bovino como substrato. No tratamento Gli 5, foi
adicionada uma proporção de 5% m/m de glicerina, no Gli 10, 10% m/m de glicerina
e no Gli 15, 15% m/m de glicerina bruta ao estrume.
Tabela 4 - Proporções de estrume e de glicerina usadas no experimento da
biodigestão
Tratamento
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
Estrume
% m/m
100
95
90
85
Glicerina bruta
% m/m
0
5
10
15
Soma
% m/m
100
100
100
100
4.2.1.
O biodigestor em escala de laboratório
Foram construídos quatro sistemas de biodigestão em escala de laboratório, sendo
constituídos por um reator de 5 L de volume total, um reservatório para o biogás e um
reservatório de líquido de vedação. O reator, o reservatório para o biogás e o
reservatório do líquido de vedação foram interligados por tubos de plástico (Figura 7).
Como reatores foram utilizados vasilhames de plástico transparente, de 18 x 18 x
20 cm, com volume de 5 L, e com boca de 4 cm de diâmetro, fechada com uma
rolha de borracha com três furos, nos quais foram inseridos três tubos de plástico
rígido de 8 mm de diâmetro externo e 5 mm de diâmetro interno. Um dos tubos
funciona como entrada de substrato (30 cm de comprimento), outro como saída de
efluente (20 cm) e um terceiro como saída do biogás (10 cm).
Figura 7 - Biodigestor em laboratório tipo UASB.
66
Em relação aos biodigestores laboratoriais é importante salientar que foram
projetados com base no trabalho de Wilkie et al. (2004) e construídos localmente com
materiais e componentes disponíveis no mercado.
Os reatores foram mantidos dentro de uma caixa de isopor (82 x 56 x 44 cm) em
banho-maria, submersos em água até o nível do substrato. Uma resistência elétrica
acoplada a um termostato de aquário foi utilizada para manter a temperatura da água
entre 35°C e 37°C. Para garantir a melhor distribuição do calor dentro da água dentro
da caixa de isopor foi utilizada uma bomba de aquário para circulação da água.
Os reatores foram desenhados conforme o sistema UASB. Neste sistema, o
substrato de alimentação é introduzido no fundo do reator, onde se forma, pela ação
do tempo e da gravidade, uma camada de lodo constituída, principalmente, de
compostos granulados de bactérias.
No biodigestor laboratorial utilizado não se adotou nenhum sistema extra de agitação. Por um lado, constatou-se uma alta sensibilidade da flora bacteriana e, por outro, o
próprio sistema construtivo dos reatores UASB já promovem uma agitação suficiente,
proporcionada pelo movimento ascendente das bolhas de biogás dentro do reator e
pelo fluxo gerado pela retirada de substrato digerido e pela alimentação diária dos biodigestores. Para impedir a formação de uma camada flutuante, os reatores foram submetidos a uma leve agitação manual durante o processo de alimentação com o substrato.
4
2
1 – gasoduto (do reator)
2 – reservatório de gás
3 – tubulação de líquido de
vedação
3
4 – reservatório de equalização
1
P – coluna de pressurização
Figura 8 - Medidor de biogás.
67
O biogás produzido foi coletado através do gasoduto e armazenado num reservatório plástico utilizado para armazenamento de água potável (20 L), sendo sua produção estimada com base na variação da diferença de altura do nível do líquido de
vedação, deslocado pelo aumento da pressão interna provocada pelo biogás (Figura
8).
O líquido de vedação deve ser quimicamente inerte e não permitir o crescimento
de algas e microorganismos. O líquido utilizado foi preparado com base nas
recomendações das “normas para o tratamento mecânico-biológico de resíduos do
Ministério da Agricultura Austríaco” (BMLFUW, 2002). A composição utilizada por
litro de solução foi de 250 g NaCl, 750 mL de água, 30 mL de ácido sulfúrico e 0,1 g
do corante alaranjado de metila, para visualização melhor do espelho de líquido.
4.2.2.
Coleta e calibração do inóculo
A partida de um biodigestor laboratorial para o estudo do comportamento do
processo da biodigestão e do seu rendimento em biogás exige, por questões de
tempo, o uso de um inóculo. Este é constituído por colônias de várias espécies de
bactérias especializadas em digestão anaeróbica, em geral, obtido do efluente de um
biodigestor em funcionamento.
O inóculo utilizado na partida dos biodigestores laboratoriais deste trabalho foi
obtido no biodigestor da Fazenda Cascata. O experimento só foi iniciado após
cessar a atividade microbiológica do inóculo, identificada através da interrupção na
produção de biogás. Os resultados da análise físico-química do inóculo utilizado
encontram na Tabela 5.
Tabela 5 - Características químicas do inoculo utilizado no processo de biodigestão
Características analisadas
Ca (%)
Mg (%)
K2O (%)
N (%)
P2O5 (%)
MO (%)
MS (%)
pH
0,05
0,02
0,12
0,02
0,02
0,29
0,6
7,9
*Análises realizadas no laboratório de análise de solos e adubos da CEPLAC em dezembro 2005,
segundo os métodos de análise de solo (EMBRAPA).
68
4.2.3.
Caracterização do estrume de gado
Na Fazenda Cascata, os animais permanecem durante a noite estabulados e suas
fezes e urinas são coletadas na manhã do dia seguintes. Este substrato é então
diluído com água na proporção mássica de 1:1, numa caixa de entrada e introduzido
no biodigestor.
Os resultados da análise físico-química do estrume do gado da Fazenda Cascata
foram comparados com valores encontrados na literatura na Tabela 6 .
Tabela 6 - Valores de alguns parâmetros físico-químicos encontrados para o estrume
de gado da Fazenda Cascata em comparação com valores da literatura
%
Fonte
Ca
Mg
K2 O
N
P2O5
MO
MS*
pH
1
0,25
0,07
0,41
0,11
0,1
7,87
9,4
6,9
2
-
0,06
0,28
0,44
0,18
5,28
-
-
3
-
-
-
0,41
-
7,35
10
7,42
4
-
-
0,27
0,41
0,17
5,59
6,6
-
5
-
-
0,51
0,52
0,18
-
8,9
7,8
6
-
0,08 – 0,1
0,14 – 0,2
-
8
-
7
-
0,02 – 0,16 0,09 – 0,47 0,17 – 0,61 0,01 – 0,23
-
2,6 - 13
-
0,36 – 0,51 0,35 – 0,45
1
Análises realizadas no laboratório de análise de solos e adubos da CEPLAC, 11/2005.
* Análise realizada pela autora no laboratório de pesquisa do Grupo Bioenergia e Ambiente, em 2005
2
Landwirtschaftskammer Niedersachsen, 2005
3
Bayerisches Landesamt für Umwelt 2006
4
Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg 2006
5
6
7
Minnesota Project 2006
LUFA Nord-West 2006.
Landeskontrollverband Brandenburg e.V., s/d.
4.2.4.
Tomada, preparação e análise das amostras
As amostras foram coletadas na caixa de entrada do biodigestor com o auxilio de
um balde, e transportadas com o auxílio de vasilhames plásticos de 20 L, no mesmo
dia, para o laboratório do Grupo Bioenergia e Meio Ambiente, na UESC, onde foram
divididas em vasilhames plásticos de 1 L (Figura 9) e congeladas abaixo de -7°C. Na
alimentação do biodigestor as amostras foram descongeladas até a temperatura
ambiente e homogeneizadas com o auxílio de um liquidificador.
69
Figura 9 - Amostras de estrume de gado.
4.2.5.
Análise físico-química do estrume de gado utilizado
Para comparar os resultados obtidos com os dados da literatura, adotou-se metodologia padrão da A.O.A.C. (1975) na determinação das seguintes variáveis:
•
teor de matéria seca (MS) - a amostra foi seca em estufa a 105°C até
que seu peso se mantivesse constante (~ 24 horas);
•
compostos voláteis (CV) - o material previamente seco em estufa foi
submetido à combustão em mufla à temperatura de 550°C, sendo que o
teor de compostos voláteis foi calculado pela diferença entre o teor de
matéria seca e o teor de cinzas obtido após combustão.
A parte mineral do estrume de gado foi determinada através do resíduo da
combustão, ou seja, através das cinzas.
4.2.6.
Glicerina bruta
A glicerina bruta usada neste estudo foi proveniente da transesterificação metílica
alcalina do óleo de mamona, utilizando o metóxido de sódio como catalisador,
baseado em processo otimizado na UESC (XAVIER et al., 2006). A sua composição
média encontra-se no Gráfico 15.
70
Éster metílico
18,0%
Sabão, hidróxidos
14,0%
Metanol
10,0%
Água e outros
2,0%
Glicerina
56,0%
Gráfico 15 - Composição típica da glicerina obtida na produção do biodiesel
(Fonte: GHP Biodiesel, 2005).
4.2.7.
Determinação da quantidade de alimentação
As proporções dos componentes da mistura de alimentação, a carga orgânica e o
tempo de residência foram calculados com base nos dados da literatura e nos
resultados das análises físico-químicas do estrume de gado. Como indicado em
vários estudos e comprovado através de experiências empíricas, é recomendável
que a carga orgânica não ultrapasse uma concentração de 4 g L-1 de CV
adicionados diariamente, para evitar o comprometimento da estabilidade do
processo (GRUBER, 2005).
Com base no exposto acima, o limite superior da carga orgânica, definida como a
quantidade de compostos voláteis por volume do substrato adicionado por dia, foi
fixada em 3 g L-1.
A quantidade de matéria fresca de estrume a ser adicionada ao biodigestor
controle foi determinada através da seguinte relação:
m=
VR * C or
MS * CV
onde
m = quantidade de substrato fresco adicionado por unidade de tempo (g d-1)
VR = Volume útil do reator (L);
Cor = Carga orgânica (CV g L-1);
MS = teor de matéria seca do substrato (g MS);
CV = teor de compostos voláteis do substrato (g CV).
71
Em seguida foram calculadas as quantidades de estrume e glicerina bruta usadas
nos tratamentos, substituindo uma proporção do estrume com 5% m/m, 10% m/m e
15% m/m, de glicerina bruta, respectivamente. A Tabela 7 mostra as quantidades
médias de MF, MS e CV adicionadas diariamente por unidade de volume, no controle
e nos três tratamentos com a adição de glicerina.
Tabela 7 - Quantidades médias de MF, MS e CV adicionadas diariamente aos
biodigestores
MF, g L-1 d-1
MS, g L-1 d-1
CV, g L-1 d-1
4.2.8.
Controle
35,5
Gli 5
29,6
Gli 10
19,8
Gli 15
16,1
2,8
3,4
2,9
3,1
1,9
2,6
2,3
2,6
Definição das quantidades de biogás esperadas
A quantidade de biogás esperada no controle e nos três tratamentos com adição de
glicerina foi calculada com base nos rendimentos teóricos de biogás e nas cargas
orgânicas pré-definidas.
4.2.9.
Partida do biodigestor
Na partida dos biodigestores, cada um deles recebeu 3 L de inóculo (item 4.2.2). A
adição do substrato foi realizada em etapas, iniciando com valores entre 50% e 33%
dos valores finais, para cada um dos tratamentos. Á medida que se observou uma
adaptação da biocenose, as doses foram elevadas até atingir os valores antes
definidos.
4.2.10. Alimentação dos biodigestores e retirada do efluente
A alimentação dos biodigestores foi efetuada, diariamente, com o auxílio de um
funil, pelo tubo de alimentação (Figura 7), utilizando substrato preparado conforme
indicado no item 4.2.7, em quantidades indicadas para cada um dos tratamentos. Uma
quantidade de efluente, correspondente à quantidade de substrato adicionada, foi
retirada diariamente, seguindo recomendações do manual de ensaios de biodigestão
da Associação Alemã de Engenheiros (VDI, 2004).
72
4.2.11. Monitoramento dos biodigestores
A temperatura da água do banho-maria foi monitorada diariamente e mantida
dentro da faixa pré-definida. A quantidade de biogás gerado foi medida diariamente
através de deslocamento do líquido de vedação (Figura 8). O pH do efluente foi
medido logo após a sua retirada do sistema. A cada duas semanas foram analisados
os teores de matéria seca das amostras de efluente.
As proporções do metano dentro do biogás produzido foram analisadas por
cromatografia gasosa. As análises por cromatografia gasosa foram realizadas, duas
vezes por semana, em um cromatógrafo a gás Varian CP- 3800 com detector por
ionização em chama, contendo uma coluna capilar CP-SIL 8 CB 30 m de comprimento, 0,25 mm de diâmetro interno e 0,25 µm diâmetro da fase, utilizando as seguintes condições: temperatura do injetor: 250 °C, vazão: 1,5 mL min-1, programação
do forno: 90 °C → 15 °C min-1 → 140 °C → 10 °C min-1 → 250 °C (3 min), temperatura do detector: 280 °C, splitless e volume de injeção de 50 µL com seringa
gastight (SANTOS et al., 2006).
No Quadro 5 estão resumidas as análises conduzidas e os ciclos de medição.
Substância
Estrume de gado
Entrada
Glicerina bruta
Reator
Efluente
Parâmetro
Ciclo de medição
MS (matéria seca),
Amostras, antes do
armazenamento das amostras
CV (compostos voláteis)
Valores obtidos da literatura
(GHP Biodiesel, 2005)
Temperatura, pH
Diariamente, dias úteis
Quantidade retirada
MS, CV
A cada duas semanas
Quantidade
Composição
Duas vezes por semana
Saída
Biogás
Quadro 5 - Plano de análises conduzidas
Fonte: Adaptado de Reipa, 2003.
73
4.3.
Avaliação dos resultados
O período do experimento foi dividido em fases segundo o desenvolvimento da biocenose dentro dos reatores, visível pelo aumento, estabilidade e declino da produção
de biogás.
Embora exista uma estreita correlação entre a decomposição da matéria-orgânica
e a quantidade de biogás, é importante atentar que a correlação entre a quantidade
de CV e a produção de biogás se altera significativamente com o desenvolvimento
da biocenose, devendo, portanto, estabelecer está correlação após uma fase de
estabilização inicial do processo de biodigestão.
Portanto, segundo as recomendações de Reipa (2003) a quantidade de matéria
orgânica, ou seja, os compostos voláteis (CV) adicionados e a produção do biogás
foram relacionados segundo as fases do processo: a fase de lançamento (as duas
primeiras semanas) e a fase de equilíbrio, a partir da terceira semana, até o fim da
oitava semana.
Como intuito de excluir possíveis influências causadas pela interrupção da
alimentação durante os fins de semana, foram calculadas as médias dos dados das
quantidades de biogás produzidas semanalmente, por quantidade de substrato
adicionado no mesmo período e submetidos a uma análise de variância, com teste
de “f” (REIPA, 2003).
A avaliação do desempenho dos biodigestores experimentais foi efetuada através
da comparação com dados obtidos da literatura.
4.4.
Análise energético-ambiental e econômica
Para avaliar o desempenho energético-ambiental e econômico do biogás na
fazenda Cascata, ele comparou-se com outros combustíveis de uso concorrente, tais
como, a lenha e o GLP. Como unidade funcional foi escolhido GJ (Giga-Joule), por
que permite a comparação do desempenho energético dos três tipos de combustíveis.
A comparação das emissões também foi relacionada a GJ.
Os cálculos para o balanço energético-ambiental e econômico foram baseados
em dados de planejamento da ONG Winrock International Brasil (2002), para o
biodigestor na Fazenda Cascata. A Figura 10 mostra o fluxograma simplificado da
74
determinação das quantidades de combustíveis usados na secagem de cacau e na
cocção doméstica.
Sistema de
referência
Lenha
GLP
Biogás
Lenha para secagem
de cacau
(m³)
Quantidade de energia
necessária para
secagem (MJ)
Biogás produzido
no biodigestor Faz.
Cascata (m³)
de 01 botijão de GLP
(MJ)
do biogás produzido
(MJ)
Efeitos da adição da
glicerina bruta
Cálculo da quantidade
necessária para
secagem (m³)
necessária para
secagem (m³)
necessária para
cocção (m³)
necessária para
cocção (m³)
Custos R$ MJ-1
Emissões CO 2eq. MJ-1
Figura 10 - Fluxograma simplificado da determinação dos custos, das quantidades
de combustíveis e de emissões na secagem de cacau e na cocção
doméstica.
4.4.1.
Análise energético-ambiental
A partir dos dados disponíveis do consumo de lenha na Fazenda Cascata foi
calculada a quantidade de energia necessária para a secagem de uma tonelada de
cacau.
A produção de cacau, na Fazenda Cascata, está estimada em 4500 arrobas anuais (cerca de 67,5 t de produto seco). Devido às condições climáticas da região, em
geral, uma parte da produção do cacau necessita ser secada artificialmente, reduzindo o teor de umidade do produto de 50% para valores entre 6-8%. O assentamento
75
Fazenda Cascata dispõe de um secador rotativo, de aquecimento indireto com
capacidade de 1,7 arrobas (25,5 kg) de cacau por hora. Com base na experiência
empírica de muitos anos dos agricultores, o consumo médio de lenha foi estimado
em 0,075 m³ por arroba ou 5 m³ t-1 de cacau seco (WINROCK INTERNATIONAL BRASIL,
2002), e ainda foi assumido que o tipo de lenha é originado da mata nativa, com
20 % de umidade, e com poder calorífico de 14 GJ t-1. Baseado nisso, foram calculadas as quantidades de biogás e de GLP necessárias para gerar o calor suficiente
para secagem de uma tonelada de cacau tendo como base o PCI destes gases.
4.4.1.1.
Lenha
Assumindo uma densidade média da lenha9 de 0,335 t m-³ e um poder calorífico
inferior de 14 GJ t-1, obtém-se a geração de 23,45 GJ, na combustão de 5 m³ de
lenha. Adotando a eficiência energética média de 13,1%, na combustão da lenha,
segundo o estudo de Reinato et al. (2003), calculou-se o consumo líquido da energia
na secagem de uma tonelada de cacau.
4.4.1.2.
GLP
A quantidade de GLP necessária foi calculada com base no consumo líquido da
energia usada na Fazenda Cascata para a secagem de cacau, como descrito no capítulo anterior. No cálculo das quantidades de GLP necessárias, a eficiência da combustão foi calculada com 45,57%, segundo os resultados do estudo de Reinato et
al. (2003).
Embora, no caso de consumo de maior porte, como a secagem de cacau, sejam
utilizadas formas de abastecimento de GLP em recipientes maiores, foi assumido
neste trabalho o uso do botijão de 13 kg, denominado de P-13, tanto na secagem
como na cocção de alimentos.
No cálculo das emissões de GEE do GLP foram consideradas tanto as emissões
na combustão quanto as emissões no transporte do GLP entre a refinaria e o local
do consumo final.
9
Lenha da madeira nativa, com 20% de umidade. Dados calculados baseado na tabela técnica
“madeiras” em http://www.arauterm.com.br
76
No modelo adotado, o GLP é transportado por caminhão por uma distância de
aproximadamente 500 km, da refinaria Landulfo Alves, no município de São
Francisco do Conde, na Região Metropolitana de Salvador até a Fazenda Cascata,
no município de Aureliano Leal. O caminhão possui capacidade de 500 botijões de
13 kg (P-13), cujo peso bruto varia entre 26 e 28 kg. A Tabela 8 apresenta os
parâmetros utilizados nos cálculos das emissões do GLP na secagem de cacau.
As emissões de CO2eq causadas pela combustão do GLP são de 0,064 t GJ-1.
Tabela 8 - Parâmetros das emissões do GLP P-13
Item
Valor
Emissão específica do transportec
1,104
Emissão específica na combustão do GLPc 0,064
Unidade
Observações
Caminhão de 40 t peso bruto, com carga
kg CO2eq km-1 de 500 botijões, consumo de 34 L de óleo
diesel por 100 km
kg CO2eq GJ-1
Fontes: Secretaria de Estado de Fazenda de Minas Gerais (2001)
c) GEMIS, ProBas (2006)
4.4.1.3.
Biogás
A quantidade de biogás necessária foi também calculada com base no consumo de
lenha, assumindo, nos cálculos, a eficiência de combustão do GLP. Segundo
resultados do estudo de Reinato et al. (2003), a eficiência energética em secadores
rotativos de calor indireto foi de 45,57%.
O poder calorífico do biogás foi calculado com base no teor de metano no biogás
produzido a partir de estrume de gado, que se encontra na faixa de 55 – 75%
(Gruber, 2004). Os cálculos do parâmetros ”quantidades de metano” (item 0) do
biogás foram baseados, conseqüentemente, em três cenários de teor de metano
(C1: 50%, C2: 57,5%, C3: 65%). A seguir, somente os resultados do C2 foram
considerados, por serem mais perto da prática, correspondendo a um PCI de 20,7
MJ m-³ de biogás. Ainda foi considerado o aumento na produção e no teor de
metano, no biogás, conseqüência da adição da glicerina bruta ao substrato.
A quantidade de estrume produzida pelo rebanho da Fazenda Cascata foi
calculada com base na capacidade de geração de biogás do estrume deste rebanho,
obtida em experimentos laboratoriais (veja item 5.3), e na produção anual de biogás
77
(6000 m³) projetada pela Winrock International Brasil (2004). Os valores obtidos
foram comparados com dados da literatura.
As emissões de CO2eq durante o armazenamento do estrume em reservatórios
sem captação do metano foram calculadas com base em fatores médios de
emissões fugitivas de metano, estimados pelo IPCC (1996), para sistemas de
armazenamento de dejetos animais e para quatro estados do sul dos EUA com
temperaturas médias anuais semelhantes à região do estudo (US EPA 2001).
As emissões de CO2eq na operação do biodigestor foram estimadas com base em
perdas de 5% do biogás gerado por ano10, segundo sugestão de Kriegl et al. (2005)
e Pölz e Salchenegger (2005).
As emissões de CO2eq evitadas foram calculadas, então, como a diferença entre a
emissão causada pelo estrume armazenado sem tratamento e as emissões
provocadas nas etapas de produção e combustão do biogás. Todos os cálculos
foram baseados nos parâmetros de consumo de energia e produção de estrume,
estimados em 366,2 m³ (WINROCK INTERNATIONAL Brasil 2002), levantados na
Fazenda Cascata. Os resultados das emissões foram expressos em t GJ-1.
4.4.1.4.
Uso de combustíveis na cocção
Na Fazenda Cascata, a maioria das residências utiliza o GLP na cocção doméstica
de alimentos. Segundo o relatório da WINROCK INTERNATIONAL BRASIL, as 40 famílias
do assentamento consomem, em média, um botijão de GLP por mês, ou um total de
480 botijões por ano.
Foi calculado o consumo de GLP, pelas 40 famílias, em GJ a-1, e a emissão de
GEE relacionada com a combustão, em kg CO2eq GJ-1. Foram calculadas as
quantidades de biogás necessárias para a substituição dessa demanda energética,
considerando que a combustão do biogás tenha a mesma eficiência que a do GLP, e
baseado num teor de 57,5% de metano, para o controle, e no teor de metano
medidos nos tratamentos Gli 5 e Gli 10.
10
6000 m³ de biogás, com PCI de 0,21 GJ m-³
78
4.4.2.
Análise econômica
Os gastos com energia foram calculados com base nos preços comerciais ou de
oportunidade para cada um dos combustíveis, e tendo em vista os diferentes PCI’s,
foram expressos em R$ por unidade de energia (R$ GJ-1).
4.4.2.1.
Lenha
Os gastos com lenha são difíceis de estimar, uma vez que a lenha consumida no
assentamento é extraída localmente pelos próprios moradores e não possui valor
comercial. Portanto, foi adotado o valor de mercado da lenha como referência para
determinação dos gastos com este combustível.
Na estimativa dos gastos com lenha, além do preço de oportunidade, também os
custos de reflorestamento foram considerados, como forma de ter garantido a sustentabilidade da atividade de exploração da lenha. Com base na legislação específica e na
demanda em lenha para a secagem de uma tonelada de cacau na Fazenda Cascata
(5 m³ st) estimou-se os custos relacionados com o replantio (veja item 3.3.1.3).
4.4.2.2.
GLP
Os gastos com GLP são baseados no preço médio do botijão P-13 na região, de
R$ 36,0011, ou seja, de R$ 60,30 por GJ.
4.4.2.3.
Biogás
Os gastos com biogás foram estimados com base nos custos de produção. Os
custos variáveis na produção do biogás dependem, além dos custos da energia, como
por exemplo, o custo da energia elétrica para bombas e sistemas de agitação, os
custos associados aos substratos utilizados na alimentação do biodigestor. No caso
do biodigestor na Fazenda Cascata, os gastos com energia elétrica podem ser
desprezados, sendo, portanto, os custos variáveis estimados com base nos valores
econômicos atribuídos aos substratos utilizados na alimentação dos biodigestores.
11
Preço observado na venda móvel da Brasilgas em Ilhéus
79
Considerando o desenvolvimento dos preços internacionais da glicerina bruta, foi
adotado um preço de R$ 0,05 por kg, como base para os cálculos. Para verificar a
influencia do preço da glicerina sobre os custos de energia foi conduzido uma
análise de sensibilidade.
O substrato estrume de gado não onera a produção do biogás, uma vez que, ao
final do processo, obtem-se um fertilizante com valor pelo menos igual ao do
estrume de gado utilizado como substrato.
Um outro componente relevante, do ponto de vista do volume utilizado no
processo de biodigestão é a água, uma vez que o estrume bovino, antes de entrar
no biodigestor, é misturado com água, na proporção mássica de 1:1. A água
utilizada na Fazenda Cascata não possui valor de mercado, porém, para efeitos dos
cálculos de custos foi adotado um preço de oportunidade de R$ 0,02 por m³,
baseado no Decreto 9.747 de 28 de dezembro de 2005 (TELES, 2006).
4.4.2.4.
Uso de combustíveis na cocção
A avaliação econômica do biogás em substituição ao GLP, na cocção doméstica de
alimentos, foi calculada com base nos indicadores de substituição entre os dois
combustíveis, no preço de aquisição do GLP, estimado para a região em R$ 36,00 por
botijão, e no custo de produção do biogás.
5. Resultados e discussão
5.1.
Determinação teórica do volume de biogás produzido
Na Tabela 9 são apresentados os rendimentos teóricos estimados para as
proporções dos substratos utilizados, em mL g-1 de CV adicionado.
Tabela 9 - Rendimentos teóricos de biogás do estrume de gado e da glicerina bruta,
em mL por g de CV adicionado
Quantidade de biogás (mL g-1 CV)
Material
min
max
Estrume de gado
380
430
Glicerina bruta
700
1300
80
A produção teórica de biogás por massa de CV adicionado para o controle e os três
tratamentos encontra-se apresentada na Tabela 10.
Tabela 10 - Quantidades teóricas de biogás
Tratamentos
Quantidade de biogás
(mL g-1 CV)
contribuição do estrume
(mL g-1 CV)
contribuição da glicerina
(mL g-1 CV)-1
5.2.
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
min
max
min
max
min
max
min
max
1140
1290
760
860
555
628
426
482
0
0
665
1.235
971
1.803
1.117
2.075
380
430
483
710
536
854
568
941
Produção do biogás
Após a partida do reator e uma fase de inicialização do processo, foram medidas,
diariamente12, as quantidades de biogás produzidas.
A evolução da produção de biogás em relação à matéria fresca adicionada para as
diferentes proporções de glicerina adicionada e para o controle encontram-se no
Gráfico 16. As barras indicam o período do tempo, dentro do qual foi avaliada a
produção de biogás por unidade de substrato adicionado.
Gráfico 16 - Médias semanais da produção de biogás por g de MF adicionado.
12
As medidas foram tomadas de segunda-feira a sexta-feira.
81
A produção de biogás do biodigestor controle apresentou um comportamento
estável em todo o período avaliado, com pH ao redor de 8 e uma produção média de
biogás de 16,4 mL g-1 de MF adicionado
No biodigestor que foi adicionado 5% m/m de glicerina bruta observou-se uma
subida brusca na produção de biogás até um patamar de 109 mL g-1 de MF
adicionado, sendo que a partir da quarta semana observou-se uma tendência de
declínio na produção, provavelmente associada à redução da contaminação da
glicerina por restos de biodiesel. O pH do meio permaneceu estável ao redor de 8
durante todo o período observado.
O
biodigestor
alimentado
com
10% m/m de glicerina
apresentou
um
comportamento diferenciado, com um aumento da produção de biogás mais lento,
porém, constante durante todo o período de observação. Este comportamento se
deve a uma melhor adaptação da biocenose resultando numa produção do biogás
superior ao tratamento Gli 5 a partir da quinta semana do experimento. O pH do
meio também permaneceu estável ao redor de 8 durante todo o período observado.
O biodigestor com 15% m/m de glicerina mostrou um comportamento semelhante
ao com 10% m/m de glicerina no inicio da observação, porém, a partir da quinta
semana, a produção de biogás apresentou tendência declinante, sendo que a partir
da oitava semana a redução na produção de biogás acelerou-se cessando sua
atividade na nona semana. O comportamento do pH foi estável ao redor de 8 até a
oitava semana, baixando para ao redor de 7 a partir dessa semana.
A falha de aquecimento na sexta semana foi, provavelmente, responsável pelo colapso do processo no biodigestor Gli 15, a sua biocenose não teria se recuperado do
choque térmico e, conseqüentemente, não conseguiu mais digerir o substrato adicionado, levando à acidificação do meio e ao comprometimento irreversível da biocenose.
5.3.
Rendimento do biogás relacionado à matéria fresca
adicionada
Para comparar o desempenho dos substratos testados na geração do biogás, as
quantidades de biogás geradas devem ser relacionadas às quantidades de substrato
adicionadas. Como descrito no item 4.3, foram considerados as quantidades de
82
biogás produzidos no período de 42 dias (seis semanas), a partir da terceira, até ao
fim da oitava semana de operação do biodigestor.
No controle (Gli 0) foram produzidos em média 16,4 mL de biogás por g de MF
adicionado, inferior aos valores médios encontrados na literatura, de 18 mL g-1
(REINHOLD, 2005), 20 mL g-1 (BAERING, 2001; BOXER-INFODIENST, 2005) e 36 mL g-1
(ROOST, 2002, em: BESGEN; KEMPKENS, 2004). A menor produção de biogás está
provavelmente associada ao baixo teor de compostos de carbono de fácil
decomposição encontrados no estrume dos bovinos da Fazenda Cascata,
possivelmente associado à uma alimentação deficiente do rebanho.
Já o tratamento Gli 5 apresentou um rendimento médio de 81,3 mL g-1 de matéria
fresca adicionada correspondente a 396,4% do rendimento do controle (Gli 0). A adição da glicerina bruta elevou a concentração média de MS, de 2,8 g L-1 no controle
(Gli 0) para 3,4 g L-1 no tratamento Gli 5 (Tabela 7).
O tratamento Gli 10 apresentou um rendimento médio de 110,2 mL g-1 de matéria
fresca adicionada, ou seja, 572,6% do rendimento do controle, embora a concentração de MS tenha sido somente 2,9 g L-1, ou seja, menor do que no tratamento Gli 5.
O tratamento Gli 15 apresentou um rendimento médio de 61,8 mL g-1 de MF
adicionada, o que representa 276,9% de aumento com relação à produção do
controle. O menor rendimento deste tratamento pode estar associado a uma
sobrecarga de compostos de carbono de fácil degradabilidade, presentes em alta
concentração na glicerina bruta adicionada, provocando um colapso na biocenose
do biodigestor. A concentração de CV neste tratamento foi de 3,1 g L-1.
A comparação entre as quantidades de biogás geradas pelo controle e pelos três
tratamentos com adição de glicerina encontra-se no Gráfico 17.
83
160
mL g-1 MF
b
140
c
b
120
100
80
60
40
a
20
0
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
massa de MF adicionada
Nota: As barras indicam os valores mínimos e máximos. Os valores
com a mesma letra não diferem significativamente entre si pelo teste
Tukey a 5 % de probabilidade (veja Anexo II).
A avaliação estatística dos resultados médios encontrados para a quantidade de
biogás produzida por unidade de MF adicionada apresentou diferença significativa
para todos os tratamentos, com exceção dos tratamentos Gli 5 e Gli 10, que não
apresentaram diferença significativa entre suas médias, pelo teste Tukey a 5% de
probabilidade (veja Anexo II).
5.3.1. Rendimento do biogás relacionado à matéria seca
adicionada
O rendimento do biogás por grama de matéria seca adicionado no controle e nas
três variações mostrou um comportamento semelhante (Gráfico 18). O controle
produziu 204,8 mL g-1 de MS adicionado, enquanto o tratamento Gli 5 produziu
713,9 mL g-1 de MS adicionado, representando cerca de 250% de aumento em
relação ao controle. O tratamento Gli 10, com 757,6 mL g-1 foi superior ao controle,
mas não apresentou diferença significativa com relação ao tratamento Gli 5. O
tratamento Gli 15 (361,6 mL g-1) apresentou um desempenho superior ao controle
(cerca de 80%) mas inferior ao tratamento Gli 5.
84
1200
m L g -1 M S
b
1000
b
800
a
600
400
a
200
0
G li 0
G li 5
G li 10
G li 15
Gráfico 18 - Comparação do rendimento de biogás por tratamento e unidade de
massa de MS adicionada.
O melhor desempenho do tratamento Gli 5 se deve ao alto teor energético contido na
glicerina bruta e a uma proporção ideal entre o estrume bovino e a glicerina bruta para a
biocenose no substrato. O aumento da produção de biogás no tratamento Gli 10 não
correspondeu à expectativa proporcionada pela adição da glicerina bruta. O rendimento
menor da produção de biogás no tratamento Gli 15 se deve ao colapso do processo.
A avaliação estatística das diferenças entre as quantidades de biogás produzidas
nos quatro tratamentos, em respeito à MS adicionada, mostrou alta significância entre o
controle e o tratamento Gli 5. Já a comparação dos tratamentos Gli 5 e Gli 10 não
mostrou diferença significativa, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade (veja Anexo II).
85
5.3.2. Rendimento do biogás relacionado aos compostos
voláteis adicionados
1400
b
m L g -1 C V
b
1200
1000
a
800
600
400
a
200
0
G li 0
G li 5
G li 1 0
G li 1 5
massa de CV adicionada.
Com base no Gráfico 19 observa-se que, comparado aos rendimentos de biogás
teóricos calculados na Tabela 10 (380 a 430 mL g-1 de CV adicionado), os rendimentos
obtidos para o controle (estrume de gado sem adição de glicerina bruta) foram inferiores, enquanto que para o tratamento Gli 5 foram superiores aos calculados (483 a
710 mL g-1 de CV adicionado). Para o tratamento Gli 10, os rendimentos medidos foram
consideravelmente maiores do que a faixa de valores teóricos calculados (536 a
854 mL g-1 de CV adicionado), porém, não corresponderam ao aumento proporcional
da adição de glicerina bruta. Os rendimentos de biogás do tratamento Gli 15 foram menores do que os valores teóricos calculados, devido à falha no processo de biodigestão.
No caso do biodigestor controle foram, provavelmente, os baixos teores de
nutrientes no estrume utilizado (veja Tabela 6), a razão do menor rendimento em
biogás. Os altos rendimentos para os tratamentos Gli 5 e Gli 10, podem ser justificados por efeitos sinergéticos no processo de biodigestão, como os observados por
Amon et al. (2004).
A diferença entre as quantidades de biogás produzidas nos quatro tratamentos,
com respeito à quantidade de CV adicionada, mostrou alta significância entre os tratamentos controle e Gli 5 e entre os tratamentos Gli 10 e Gli 15. Já entre os trata86
mentos Gli 5 e Gli 10 e controle e Gli 15, não foram observadas diferenças estatisticamente comprovadas, pelo teste Tukey a 5% de probabilidade (veja Anexo II).
O aumento da produção de biogás no tratamento Gli 10 não correspondeu à expectativa proporcionada pela adição da glicerina bruta. O rendimento menor da produção
de biogás no tratamento Gli 15 se deve ao colapso do processo. Isso pode ser explicado a partir de um efeito inibitório na biocenose, causado por uma elevada concentração
de restos de metanol (Amon, 2004) e, ou ao elevado teor de hidróxido de potássio
(KOH), que, segundo Grepmeier (2002), em concentrações de 2500-5000 mg L-1, e
segundo Ma e Hansen (2002), de 8.301 mg L-1, pode provocar um efeito adverso nas
bactérias metanogênicas. No tratamento Gli 15, o colapso da produção pode ter sido
provocado pela inibição do crescimento da biocenose devido à queda da temperatura
associada com a elevada concentração de metanol e KOH no substrato adicionado.
Percebe-se em todos os gráficos que, com elevado teor de glicerina no substrato,
há uma tendência para variação mais ampla dos valores mínimos e máximos, nos
três tratamentos.
O biodigestor experimental e os métodos de medição da produção de biogás
foram avaliados e comparados com informações e dados de outras pesquisas. Uma
das limitações encontradas, neste caso, foi a ampla variedade de tipos de biodigestores, composição de substratos e regimes de alimentação utilizados nos experimentos laboratoriais encontrados na literatura. Com exceção do estudo de Amon et
al (2004), onde foi utilizado estrume de suínos associado com glicerina bruta como
substrato, não foram encontradas na literatura, publicações científicas sobre o uso
da glicerina bruta como suplemento na biodigestão.
A Tabela 11 mostra os resultados obtidos pelos experimentos laboratoriais
obtidos neste estudo, com os resultados de outras pesquisas, para o estrume de
gado. O valor de 303 mL g-1 de CV adicionado fica dentro dos dados encontrados na
literatura, porém, na faixa inferior. Considerando o baixo teor de nutrientes nos
dejetos usados, devido à má-alimentação do rebanho (ítem 5.3.2), os resultados
foram considerados aceitáveis.
87
Tabela 11 - Comparação do rendimento de biogás por unidade de massa de CV
adicionado para o estrume de gado
Volume de biogás por g de CV adicionado
-1
(mL g )
Autor
Dados deste estudo
303
Boxer Infodienst (2005)
200
Linke; Vollmer (2002)
280 - 440
Handreichung Biogas (2005)
200 - 500
5.3.3.
Teor de metano
Não foi possível correlacionar a concentração relativa de metano, obtida por
cromatografia gasosa, com o real teor de metano da amostra. Isto se deveu à falta de
um gás padrão para utilizar como referência na análise. Porém, os dados permitiram
obter o teor relativo de metano, ou seja, detectar diferenças entre os teores de metano
de amostras dos diferentes tratamentos, através da área gráfica (A) abaixo do pico
associado a esse gás.
Em todos os tratamentos, os teores de metano foram elevados no início das
medições e decresceram depois de decorrido um terço do período de observação.
Este fato, provavelmente, deve estar associado a uma contaminação inicial da
glicerina utilizada na alimentação, com ésteres metílicos, elevando a disponibilidade
de carbono de alta degradabilidade.
As áreas de metano medidas durante o experimento, para o controle e os três
tratamentos com glicerina, estão apresentadas no
Gráfico 20.
88
Gráfico 20 - Áreas de metano medidas durante o experimento, para o controle e os
três tratamentos com glicerina.
O Gráfico 21 apresenta os valores de metano relativo ao controle, indicando que o
teor de metano aumenta proporcionalmente ao aumento do teor de glicerina
adicionada. Nos tratamentos com 5%, 10% e 15% m/m de glicerina adicionada, os
teores de metano foram cerca de 9,5%, 14,3% e 14,6% maiores do que o teor na
amostra do tratamento controle.
120
%
114,3
114,6
115
109,5
110
105
100
100
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
Gráfico 21 - Valores de metano relativos ao controle.
5.3.4.
Quantidades de metano
Com base nos teores relativos de metano encontrados nas amostras de biogás,
obtidos por cromatografia gasosa, os volumes de biogás produzidos para os
89
diferentes tratamentos e de dados obtidos da literatura para a produção de metano a
partir de estrume bovino, foram estimadas as quantidades de metano produzidas para
os diferentes tratamentos. Os teores absolutos de metano no biogás, originário de
estrume de gado, encontrados na literatura, variaram entre 50% e 65% do volume
total produzido (REINHOLD, 2005). Para avaliar o impacto desta variação nos
resultados finais, foram propostos três cenários para o teor de metano: um cenário
com baixo teor (50%), um cenário com médio teor de metano (57,5%) e um cenário
com alto teor de metano (65%), respectivamente C-1, C-2 e C-3.
A Tabela 12 apresenta o teor de metano dos tratamentos com base nos três
cenários propostos para o teor de metano do biodigestor controle.
Tabela 12 - Teores de metano para os tratamentos com base em três cenários de
referência
Cenário
C-1
C-2
C-3
Gli 0
50%
57,5%
65%
Gli5
59,5%
67,0%
74,5%
Gli10
64,3
71,8
79,3
Gli15
64,6
72,1
79,6
Com base nos teores de metano no biogás da Tabela 12 foram calculadas as
quantidades de metano geradas pelas quatro variações, em relação à massa de CV
adicionado.
Observa-se no Gráfico 22 que houve um aumento significativo das quantidades
de metano produzidas nos tratamentos em comparação ao controle (Gli 0), Nas
variações Gli 5 e Gli 10, porém, observa-se que não houve diferença significativa
entre os tratamentos pelo teste Tukey a 5% de probabilidade (veja Anexo II), não
confirmando a expectativa de quantidades de metano proporcionalmente elevadas
para a variação Gli 10 em comparação ao tratamento Gli 5. Provavelmente, os
elevados teores de metanol e KOH presentes na glicerina bruta, atingiram níveis de
concentração que levaram à inibição e, ou à uma adaptação mais lenta da
biocenose.
90
800
600
C1
C2
C3
400
200
0
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
Gráfico 22 - Quantidades de metano geradas nos cenários C1, C2 e C3 por massa
adicionada de CV.
5.4.
Avaliação energético-ambiental e econômica
Os estudos econômicos e ambientais tomaram como base a produção de biogás a
partir do estrume de gado da Fazenda Cascata, nos cálculos apresentados a seguir.
Utilizou-se um cenário onde o biogás seja utilizado para atender a demanda em
energia térmica na secagem do cacau em substituição à lenha e outro onde o biogás
seja utilizado na cocção de alimentos em substituição ao GLP. Foram, então,
comparadas três possibilidades alternativas de combustíveis: o uso da lenha, do GLP
e do biogás, sendo que para o biogás foram consideradas três variações, o biogás
produzido somente a partir do estrume de gado e com a adição de duas proporções
de glicerina bruta (5% e 10% m/m).
5.4.1.
Avaliação energética
Na avaliação energética calcularam-se as quantidades necessárias das fontes
alternativas para substituir a energia da lenha na secagem de cacau e na cocção
doméstica.
91
5.4.1.1.
Lenha
Com base em dados empíricos obtidos na Fazenda Cascata, e assumindo uma
densidade média da lenha13 em 0,335 t m-³ e um poder calorífico inferior de 14 GJ t-1,
obtém-se um consumo energético bruto de 23,45 GJ em lenha utilizada na secagem
de uma tonelada de cacau. Como a eficiência do tipo de fornalha e secador instalado
na Fazenda Cascata foi estimada em 13,0% (item 4.4.1.1), obtém-se uma demanda
líquida efetiva de energia na secagem de uma tonelada de cacau da ordem de 3,0 GJ,
ou seja, ocorrem perdas de energia no sistema da ordem de 20,5 GJ.
5.4.1.2.
GLP
A partir da necessidade líquida de energia estimada para a secagem de uma
tonelada de cacau (3,0 GJ) e da eficiência energética na combustão do GLP, em um
secador rotativo com calor indireto (45,6%), estimou-se a demanda energética bruta
em aproximadamente 6,8 GJ, equivalente à 147,4 kg de GLP, ou 11,4 botijões P-13.
5.4.1.3.
Biogás
Considerando a eficiência energética na combustão do biogás como equivalente à
eficiência energética na combustão do GLP, foram calculadas as quantidades de
biogás necessárias para substituir a lenha na secagem de uma tonelada de cacau,
para cada um dos tratamentos considerados.
Baseado nos teores de metano calculados pelo cenário 2 (C-2, Tabela 12) e num
teor de 57,5% de metano no biogás, gerado somente com estrume de gado,
estimou-se a necessidade de 326,8 m³ de biogás para substituir os 5 m³ de lenha
utilizados na secagem de uma tonelada de cacau.
Devido ao elevado teor de metano observado com a adição de 5% m/m de
glicerina bruta (67%), a quantidade de biogás necessária diminui para cerca de
280 m³. Com adição de 10% m/m de glicerina bruta, o teor de metano chegou a
71,8%, reduzindo a quantidade de biogás necessária para substituir a lenha, para,
aproximadamente, 262 m³ (Gráfico 23).
13
Lenha da madeira nativa, com 40% de umidade. Dados calculados baseado na tabela técnica
“madeiras” em http://www.arauterm.com.br
92
400
326,8
m3
350
280,4
300
261,7
250
200
150
100
50
0
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gráfico 23 - Quantidades de biogás necessárias para substituir 5 m³ de lenha,
baseado nos valores calculados para o cenário 2 (C-2).
5.4.1.4.
Consumo de combustíveis na cocção de alimentos
Com base no poder calorífico inferior do GLP, calculou-se a energia contida em um
botijão de 13 kg em cerca de 0,60 GJ. O consumo bruto anual de energia utilizada na
cocção de alimentos na Fazenda Cascata foi estimado em aproximadamente 286,0
GJ. A substituição dessa demanda energética, considerando que a combustão do
biogás tenha a mesma eficiência que a do GLP, demandará cerca de 13.800 m³ de
biogás com um teor de 57,5% de metano. Considerando, porém, o biogás obtido com
o substrato contendo 5% e 10% de glicerina, a quantidade de biogás necessária irá
cair para aproximadamente 11.800 e 11.000 m³, respectivamente.
5.4.2.
Avaliação ambiental
5.4.2.1.
Emissões causadas pela lenha
Os dados de emissão de GEE, como o CH4 e N2O, da combustão incompleta da lenha utilizada na secagem de uma tonelada de cacau estão apresentados na Tabela 13.
93
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Tabela 13 - Emissões de GEE (CO2eq) na combustão de lenha utilizada na secagem de
uma tonelada de amêndoas de cacau
GEE
Unidade
Valor
Unidade
Valor
Unidade
CH4a
kg TJ-1
96
kg CO2eq GJ-1
2,02
kg CO2eq m-³ de lenhac
9,46
b
-1
0,29
-
c
1,37
-
c
10,83
N2O
kg TJ
-1
0,99
kg CO2eq GJ
-1
Soma
kg CO2eq GJ
2,31
Valor
kg CO2eq m ³ de lenha
kg CO2eq m ³ de lenha
Emissão total de kg CO2eq para 5 m³ de lenha (23,45 GJ)
54,15
a) Fator de conversão para CH4 (horizonte de 100 anos) = 21 CO2eq.
b) Fator de conversão para N2O (horizonte de 100 anos) = 296 CO2eq.
c) 1 m³ de lenha com PCI de 4,69 GJ.
Fonte: IPCC, 2000, Ferreira, 2006, Gemis 2006, ProBas 2006.
O carbono fixado na lenha através da fotossíntese pode, do ponto de vista do
aquecimento global, ser considerado neutro, uma vez que se trata de carbono
anteriormente absorvido da atmosfera, desde que o seu consumo (combustão) não
ultrapasse a taxa de renovação da biomassa em um determinado ecossistema.
Visto por outro lado, a biomassa acumulada na forma de madeira não queimada
pode ser entendida como contribuição para o seqüestro de carbono da atmosfera.
Assim, cada m³ da lenha não usada como combustível pode seqüestrar 0,134 t de
carbono e ainda evitar a emissão de 0,011 t de CO2eq durante a sua combustão.
5.4.2.2.
Emissões causadas pelo GLP
Para a secagem artificial de uma tonelada de cacau com o GLP são emitidos,
incluindo as emissões provocadas durante o transporte do gás, cerca de 433,43 kg de
-1
CO2eq, o que equivale a 65,74 kg de CO
2eq GJ . Os dados com os coeficientes de
emissão de GEE (CO2eq.) encontram-se na Tabela 14.
Tabela 14 - Emissões de CO2eq por tonelada de cacau provocadas ao longo do ciclo
de vida do GLP na secagem artificial do cacau
Ítem
Emissão específica no transporte
1
Unidade
Valor
kg CO2eq
11,23
Emissão geradas na secagem (01 t de amêndoas de cacau)2
kg CO2eq
433,43
Emissão (transporte + secagem, 01 t de amêndoas de cacau)
kg CO2eq
444,67*
-1
Emissão (transporte + secagem, por GJ)
kg CO2eq GJ
* erro de arredondamento
1
Caminhão 500 km, 555 botijões, calculado por 6,76 GJ.
2
Combustão de GLP para geração de calor (6,76 GJ) na secagem de 1 tonelada de cacau.
Fonte: GEMIS, ProBas
94
65,74
5.4.2.3.
Emissões relacionadas à produção do biogás
A quantidade de estrume gerado na fazenda Cascata, anualmente, foi calculada
em 366,23 m³ a-1 (veja item 4.4.1.3). Considerando perdas de 5% de biogás para o
ambiente durante a operação do biodigestor (item 3.3.3), calcularam-se as emissões
anuais de GEE pelo biodigestor da Fazenda Cascata, em aproximadamente 2,60 t de
CO2eq, caso seja utilizado somente estrume de gado como substrato na sua
operação14.
Baseado nos fatores de emissão de metano sugerido pela USEPA (2001) para
alguns estados do sul dos EUA (49,3%) e pelo IPCC (1996) para países com clima
quente (65%), a mesma quantidade de estrume, sem nenhum tratamento, pode
emitir anualmente cerca de 25,72 t CO2eq, e 33,91 t CO2eq., respectivamente.
A Figura 11 apresenta as emissões de GEE (em CO2eq) calculadas com base em
fatores médios de emissões fugitivas de metano estimadas pelo IPCC (1996) e a
US EPA (2001), durante o armazenamento de estrume na Fazenda Cascata, sem
captação do metano. Os valores foram convertidos em CO2eq.
40,00
CO 2eq t a -1
33,91
35,00
30,00
25,72
25,00
20,00
- 31.298
15,00
- 23.109
10,00
5,00
0,00
2,61
Biodigestão
5%
USEPA, 2001
49,3%
IPCC 1996
65%
Figura 11 - Valores absolutos e diferenças entre as emissões fugitivas de metano (%)
para o estrume de gado bovino da Fazenda Cascata tratado através da
biodigestão e sem tratamento, com base em diferentes estimativas de
emissão.
14
com base em 6000 m³ a-1, com PCI do biogás de 0,021 GJ t-1
95
O crédito resultante das emissões evitadas pelo uso do biofertilizante, em
substituição aos fertilizantes sintéticos, não foi considerado neste trabalho.
5.4.2.4.
Comparação dos três combustíveis
Comparando-se as emissões entre as diferentes alternativas de combustíveis para
a secagem do cacau, observa-se que as emissões de CO2eq provocadas pelo uso da
lenha foram as mais baixas, principalmente, devido à origem fotossintética deste
combustível.
O uso do GLP, apesar da sua maior eficiência na combustão, resultou em níveis
mais altos de emissões de GEE, principalmente devido à origem fóssil deste
combustível.
O uso do biogás, quando se considera o crédito resultante das emissões de
metano evitadas, resultou em emissões negativas de GEE, mesmo considerando
5% de perdas de biogás durante a operação do biodigestor (Gráfico 24). A ordem de
grandeza das emissões negativas do biogás irá depender do fator de emissão de
metano considerado para o estrume não tratado. De qualquer forma, representa a
alternativa com a melhor performance quanto à emissão de GEE.
96
100
65,74
CO2eq kg GJ-1
50
2,31
0
-50
-100
-150
-200
-186,11
-250
-252
-300
Lenha
GLP
US EPA
2001
IPCC 1996
Biogás
Gráfico 24 - Comparação de emissões de GEE dos combustíveis lenha15, GLP16 e
biogás17.
5.4.3.
Avaliação econômica
5.4.3.1.
Estimativa dos custos de secagem utilizando lenha
A Tabela 15 apresenta os custos teóricos totais e de oportunidade para a secagem
de cacau utilizando lenha de madeira nativa. Com base na demanda de lenha para a
secagem de uma tonelada de cacau os custos de oportunidade foram estimados em
R$ 82,50 e os de manutenção do maciço florestal em R$ 54,28, totalizando
R$ 145,78, equivalente a R$ 29,16 por m³ st.
Tabela 15 - Custos estimados para secagem de uma tonelada de cacau com lenha
(5 m3 de lenha)
Ítem
Custos de replantio (valor/árvore)a, para 5 m³ de lenha
Custos de manejo, formação e maturaçãob, para 5 m³ de lenha
Custos de oportunidade (16,50 R$ m-³)c, para 5 m³ de lenha
a) Custos teóricos da secagem (somente preço de oportunidade)
b) Custos teóricos da secagem (incl. custos de replantio, manejo, preço de oportunidade)
a
Associação de Recuperação Florestal do Médio Tietê, 2006.
b
Ambientebrasil, 2006.
c
Castro; Pacheco, 2005.
15
16
17
Valor (R$)
9,00
54,28
82,50
82,50
145,78
Lenha: Emissões de GEE provocadas pela combustão incompleta.
GLP: Emissões de GEE provocadas nas etapas de transporte e uso final.
Biogás: Balanço de emissões de GEE entre as provocadas pela perda de 5% do biogás produzido e as emissões do
estrume não tratado evitadas.
97
O preço de oportunidade adotado foi de R$ 16,50 por m³. Os custos parciais e
totais da energia gerada com a lenha estão apresentados na Tabela 16, alcançando a
cifra de R$ 3,50 por GJ, quando se considera somente o preço de oportunidade da
lenha. Quando se inclui também os custos com o replantio e manejo, os custos
energéticos chegam a R$ 6,20 por GJ.
Tabela 16 - Estimativa dos custos da energia gerada através da lenha
Ítem
Unidade
Valor
PCI da lenha
GJ m-³
4,69
Energia necessária
GJ
23,45
Custos de 5 m³ de lenha (somente preço de oportunidade)
R$
82,50
Custos de 5 m³ de lenha (incl. custos de replantio, manejo, preço de oportunidade)
R$
145,78
a) Custos da energia (somente preço de oportunidade)
R$ GJ-1
3,50
b) Custos da energia (incl. custos de replantio, manejo, preço de oportunidade)
R$ GJ-1
6,20
5.4.3.2.
Estimativa dos custos de secagem utilizando GLP
Para o cálculo dos custos de secagem com o GLP utilizou-se o mesmo
procedimento anterior, tomando como base a demanda energética de 6,8 GJ, para a
secagem de uma tonelada de amêndoas de cacau (Tabela 17).
Os preços do GLP estão sujeitos direta ou indiretamente, à evolução dos preços
internacionais do petróleo. Com base no preço médio atual do botijão de 13 kg na
região (R$ 36,00), o custo de secagem com GLP alcançaria a cifra de R$ 408,08 por
tonelada, correspondente a custos adicionais de aproximadamente R$ 6,00 por
arroba de cacau. Com base na cotação atual de R$ 51,00 por arroba (ASSOCIAÇÃO
COMERCIAL DA BAHIA, 2006), este valor representaria um custo de secagem bastante
elevado, em torno de 12% do faturamento com a venda do cacau.
Tabela 17 - Custos associados à secagem de cacau, usando GLP
Ítem
Unidade
Poder calorífico do GLP (relação mássica)
MJ kg-1
Conteúdo energético (botijão de 13 kg)
GJ
Preço atual do botijão
R$
Preço específico do GLP
R$ GJ-1
Custos da secagema
R$
a
Consumo de 6,76 GJ na secagem de 01 tonelada de cacau
98
Valor
45,9
0,6
36,00
60,30
408,10
5.4.3.3.
Estimativas dos custos de secagem utilizando biogás
Os custos fixos do biogás foram calculados com base em dados do projeto de
construção do biodigestor descrito no relatório da Winrock International Brasil (2002) e
apresentados na Tabela 18. A vida útil do biodigestor foi estimada em 10 anos.
Tabela 18 - Custos fixos do biodigestor na Fazenda Cascata
Item
Curral
Material
Mão de obra
Biodigestores
Material
Escavação
Mão de obra
Secador
Reforma e adaptação de secador tubular
Assistência técnica
Soma
Vida útil
Custos anuais
Fonte: Winrock International Brasil, 2002
Unidade
R$
R$
R$
R$
R$
R$
R$
R$
anos
R$
Valor
7.000
6.000
8.000
3.000
1.000
3.000
15.000
43.000
10
4.300
Com base numa produção anual de 6000 m³ de biogás a partir de estrume de
gado, os custos fixos unitários alcançam R$ 0,72 por m³ de biogás.
Os custos variáveis do biogás dependem, além dos custos da energia elétrica
utilizada em bombas e sistemas de agitação, dos custos dos substratos utilizados na
alimentação do biodigestor. No caso do biodigestor na Fazenda Cascata, os gastos
como energia elétrica podem ser desprezados, uma vez que o projeto construtivo do
sistema prescindiu do bombeamento e da agitação artificial do substrato. Os custos
variáveis, neste caso, se resumem ao custo associado ao substrato de alimentação.
O estrume, antes de entrar no biodigestor, é misturado com água na proporção
mássica de 1:1. A água e o estrume na Fazenda Cascata não possuem valor de
mercado, porém, para a água foi adotado um preço de oportunidade, baseado no
Decreto 9.747, de 28 de dezembro de 2005 (TELES, 2006), de R$ 0,02 por m³.
Considerando que a biodigestão não altera o valor nutricional do estrume como
fertilizante, pode-se desprezar os custos com estrume e os custos variáveis podem
então ser aproximados como sendo os custos associados à glicerina adicionada ao
substrato e ao custo de oportunidade da água.
99
5.4.3.4.
Efeitos da glicerina bruta
Com a adição da glicerina observou-se um aumento na produção de biogás e no
seu teor de metano, reduzindo proporcionalmente o custo energético de produção do
biogás, quando comparado ao seu custo utilizando somente o estrume de gado.
A Tabela 19 apresenta os custos fixos, variáveis e totais para a geração de 1,0 GJ
de biogás considerando os tratamentos controle, Gli 5 e Gli 10.
Tabela 19 - Custos da produção de 1,0 GJ de biogás
Item
Custos variáveis (água, glicerina brutaa)
Custos fixos (construção)
Custos totais por GJ de biogás
a
Preço da glicerina: R$ 0,05 por kg (Nilles, 2006)
Unidade
R$
R$
R$
Gli 0
0,03
34,62
34,65
Gli 5
1,60
5,99
7,59
Gli 10
2,20
4,12
6,32
Observa-se na Tabela 19 que, apesar dos tratamentos Gli 5 e Gli 10 apresentarem o
maior valor para os custos variáveis, devido ao custo adicional da glicerina bruta, os custos
fixos foram proporcionalmente reduzidos devido à sua maior produção relativa de biogás,
resultando num custo total inferior. O tratamento Gli 10 apresentou o menor custo energético total de produção, com aproximadamente, R$ 6,30 por GJ de biogás equivalente.
A Tabela 20 apresenta os custos de secagem de uma tonelada de cacau
utilizando biogás produzido a partir do estrume de gado sem adição de glicerina, e
com adição de glicerina (Gli 5 e Gli 10).
Tabela 20 - Custos da secagem por tonelada de cacau usando biogás de estrume
bovino sem e com a adição de 5% e 10% m/m de glicerina
Item
Valor calorífico do biogás (MJ m-³)
Energia necessária (GJ)
Quantidade de biogás necessária (m³)
-1
Custos totais por GJ de biogás (R$ GJ )
Custos da secagem (R$)
Gli 0
20,70
6,76
326,80
34,70
234,40
Tratamento
Gli 5
Gli 10
24,10
25,90
6,76
6,76
280,40
261,70
7,60
6,30
51,30
42,70
A quantidade de biogás (C-2, 57,5% CH4), com PCI de 20,7 MJ m-³, necessária para
satisfazer a demanda de energia de 6,8 GJ calculada para a secagem de uma tonelada
de cacau, foi de 326,8 m³, no tratamento Gli 0 (Tabela 20). Já no tratamento Gli 5, a
quantidade do biogás necessária diminuiu em 14,8% e os custos da secagem foram
22% dos custos do tratamento Gli 0, devido ao maior PCI do biogás (24,1 MJ m-³).
100
A quantidade de biogás necessária no tratamento Gli 10 diminuiu em 19,9%,
comparado ao controle, e os custos da secagem foram 18% dos custos do
tratamento Gli 0, devido ao maior PCI do biogás (25,85 MJ m-³).
40
R$ GJ-1
35
30
25
Gli 0
Gli 5
20
Gli 10
15
10
5
0
50
550
695
R$ t-1
Gráfico 25 - Análise de sensibilidade dos custos da glicerina bruta.
Os custos associados à glicerina bruta oriunda da produção do biodiesel podem variar muito, a depender da qualidade e da demanda por este produto no futuro. Com base nesta constatação, optou-se por realizar uma análise de sensibilidade para o custo
de produção do biogás em função do preço adotado para a glicerina. Os dados do
Gráfico 25 mostram a influência do preço da glicerina bruta na economidade dos tratamentos com a adição de glicerina ao substrato do biodigestor. Mesmo considerando
um preço elevado para a glicerina (R$ 695,00 por tonelada), a adição de 5% de glicerina bruta (Gli 5) no substrato do biodigestor ainda seria economicamente vantajosa.
A tendência de aumento na produção do biogás observada durante o experimento
para o tratamento Gli 10 (item 5.1) permite deduzir, que, mesmo com os preços mais
elevados para a glicerina, a adição de 10% de glicerina bruta seria economicamente
favorável, desde que o processo da biodigestão possa alcançar a máxima eficiência
na digestão da glicerina.
5.4.3.5.
Comparação dos três combustíveis
A comparação dos custos de secagem entre os três combustíveis considerados
neste trabalho revela que os custos de secagem, utilizando a lenha, são os menores,
101
mesmo quando se considera para a lenha, tanto os custos de oportunidade, como os
de replantio. O custo do GJ lenha foi a metade do custo do biogás, produzido através
da biodigestão anaeróbica do estrume de gado (controle) do e do GJ GLP. Já quando
se considerou a adição de 5% m/m de glicerina (Gli 5) ao substrato do biodigestor, o
custo do GJ biogás caiu para aproximadamente um terço do preço do custo do
controle (Gli 0). O custo do GJ biogás, quando se considera o tratamento Gli 10, foi
ainda menor, devido ao maior volume de biogás produzido por unidade de substrato e
ao maior PCI do biogás produzido. Os custos de secagem de uma tonelada de cacau,
usando o biogás oriundo dos tratamentos Gli 5 e Gli 10, estão próximos a um terço e
um quinto dos custos energéticos da lenha e do GLP, respectivamente (Tabela 21).
Tabela 21 - Comparação da demanda dos combustíveis usados na secagem do
cacau
PCI por volume (GJ m-³)
PCI por massa (GJ t-1)
Energia necessária (GJ)
Quantidade do combustível necessária (m³)
Custos energéticos na secagem de 01 t de cacau (R$)
a
da mata nativa, com 20% de umidade
b
em base de C-2.
Lenhaa GLP
4,69
114,00
14,00
45,70
23,45
6,76
5,00
96,40
145,78 408,10
Gli 0b
20,70
19,50
6,76
326,77
234,40
Gli 5 b
24,12
20,10
6,76
280,44
51,30
Gli 10 b
25,85
21,45
6,76
261,69
42,70
No uso do GLP na cocção doméstica, os custos com o GLP foram assumidos em
R$ 432,00 por família por ano, baseado no preço do GJ gerado pelo GLP de
R$ 60,33.
A Tabela 22 mostra que o biogás gerado somente com estrume de gado
proporciona um benefício de R$ 183,70 por família por ano, quando comparado com
o uso do GLP na cocção. Quando se adiciona 5% de glicerina bruta ao substrato, a
diferença em favor do biogás sobe para R$ 377,70 e com a adição de 10% este
valor alcança R$ 386,70 por família por ano.
Tabela 22 - Consumo e gastos com GLP e biogás, para cocção
Item
Consumo anual de energia (GJ a-1)
Preço do GLP / Custo do biogás (R$ GJ-1)
-1
Gastos anuais totais com cocção (R$ a )
-1
Gastos anuais por família (R$ a )
Economia por família e ano
GLP
286,42
60,33
17.279,72
432,00
0
102
Biogás Gli 0
286,42
34,65
9930,90
248,30
183,70
Biogás Gli 5
286,42
7,58
7.363,31
54,30
377,70
Biogás Gli 10
286,42
6,32
9.395,76
45,30
386,70
6. Conclusões e perspectivas
O objetivo deste trabalho foi avaliar a glicerina bruta como suplemento na
biodigestão de estrume de gado para a geração de biogás.
Os resultados indicaram que a glicerina bruta pode ser usada como suplemento
na biodigestão anaeróbica, proporcionando um aumento na produção de biogás e no
seu teor em metano quando adicionada em proporções de até 10% m/m. Isto
provavelmente foi resultado dos efeitos sinérgicos da combinação favorável de
nutrientes provocada pela adição da glicerina bruta ao substrato original,
estimulando a ação dos microorganismos que atuam no processo de biodigestão. A
adição de 15% m/m de glicerina bruta ao esterco bovino levou a problemas no
processo, culminando com o colapso da biocenose do biodigestor. Conclui-se que
na adição de glicerina bruta deve-se considerar o limite máximo para adição de
glicerina bruta e um tempo de adaptação para a biocenose.
A avaliação das emissões de gases estufa, considerando todo o ciclo de vida dos
combustíveis, demonstrou que a emissão provocada pela lenha, 2,31 kg CO2eq GJ-1,
foi consideravelmente menor que a provocada pelo GLP com 65,74 kg CO2eq GJ-1,
desde que o CO2 emitido na combustão da lenha seja considerado neutro, ou seja, o
corte e a reposição florestal sejam mantidos em equilíbrio.
O biogás apresentou vantagens consideráveis com relação aos dois primeiros
combustíveis, sendo que o seu balanço com base no ciclo de vida resultou em
emissões negativas de CO2eq.. Por um lado, a biodigestão e a combustão do biogás
evitam as emissões de metano pelo estrume armazenado sem tratamento e por
outro, a substituição de combustíveis fósseis pelo biogás, evita emissões de CO2 de
origem fóssil, resultando num balanço negativo de emissões de gases estufa,
mesmo considerando perdas de 5% durante a produção, armazenamento e
transporte do biogás.
A viabilidade econômica do uso do biogás e da adição de glicerina como
suplemento no processo de biodigestão foi analisado com base em comparações do
seu uso em substituição à lenha e ao GLP na secagem de cacau e ao GLP na
cocção de alimentos, considerando os valores econômicos em termos de R$ GJ-1,
103
uma vez que se trata de combustíveis com diferentes conteúdos energéticos e
diferentes eficiências de combustão.
Os custos de produção do GJ biogás foram de R$ 34,65 para o tratamento
controle e de R$ 7,59 e R$ 6,32 por GJ para os tratamentos com a adição de 5% e
de 10% m/m de glicerina bruta, respectivamente. Como referência para os cálculos
econômicos foram adotados preços de R$ 3,50 para o GJ lenha (R$ 6,20, quando se
considerou os custos de replantio) e R$ 60,33 para o GJ GLP.
Quando se avaliou o uso do biogás como alternativa na secagem de cacau, o uso
do biogás produzido pelo tratamento controle, ou seja, sem a adição de glicerina,
gerou custos de R$ 234,40 por tonelada de cacau, superior ao custo de secagem
com lenha, R$ 145,78 e inferior ao custo de secagem com o GLP, R$ 408,10.
Quando se adicionou glicerina, os custos de secagem com o biogás decresceram
para R$ 51,30 e R$ 42,70 para os tratamentos Gli 5 e Gli 10, respectivamente.
Na cocção de alimentos o custo do biogás foi comparado ao custo do GLP
utilizado atualmente na Fazenda Cascata. Tomando como base o consumo médio
mensal de um botijão de GLP por família, o uso do biogás pode representar uma
economia financeira de R$ 183,70 por família por ano, com base no biogás
produzido pelo tratamento controle, já com a adição de 5% e 10% m/m de glicerina
bruta, cada família pode economizar R$ 377,70 e R$ 386,70, respectivamente, por
ano. Não foram considerados nos cálculos os custos de investimento para
implantação da rede de distribuição de biogás, nem recursos auferidos através da
venda de créditos de carbono.
Conclui-se que através da adição da glicerina bruta foi possível reduzir os custos
de produção para o biogás e conseqüentemente para suas aplicações na secagem
de cacau e na cocção de alimentos, combinando benefícios econômicos e
ambientais, na medida em que a substituição da lenha pode reduzir o impacto da
exploração predatória de florestas nativas e a substituição do GLP contribui para a
redução das emissões de gases estufa.
A valorização energética da glicerina bruta utilizando a tecnologia da biodigestão
oferece uma solução “win-win-win”, contribuindo para a geração de energia e o
tratamento adequado de resíduos orgânicos em bases economicamente e
ambientalmente sustentáveis, colaborando para o desenvolvimento de comunidades
104
descentralizadas através do fornecimento de energia de baixo custo e reduzido
impacto ambiental, aproveitando os recursos naturais de maneira mais inteligente. A
adição de glicerina bruta oriunda da produção do biodiesel pode potencializar os
benefícios econômicos e ambientais da utilização de biodigestores no tratamento de
resíduos orgânicos em nível de propriedade rural e na produção de energia
renovável de baixo impacto ambiental para o processo de secagem do cacau e
cocção de alimentos nas propriedades rurais da região. Isso reduz a pressão sobre
os recursos naturais, os impactos ambientais e apresenta um custo compatível com
os resultados econômicos da produção de cacau.
Como forma de potencializar os benefícios econômicos e ambientais desta
tecnologia, sugere-se a ampliação do leque de aplicações para o biogás, com
destaque para: o aproveitamento de frutas regionais através da secagem, produção
de doces e geléias e a adaptação das casas de farinha para combustão do biogás.
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116
Apêndices
Apendice A - Roteiro da entrevista
Entrevista feita ao pessoal da Fazenda Cascata em março 2003, novembro 2003,
maio 2004, junho 2005, fevereiro 2006, junho 2006.
Assuntos pesquisados nas entrevistas:
Manejo do biodigestor
Rebanho
Pessoa responsável
Nome, carga, experiência
substituto
Nome, carga, experiência
Número de cabeças
Tipo de gado (leiteiro, corte?)
Tempo de confinamento
Biodigestor
Aplicações
Alimentação
Capim? Ração? Suplementos?
Tratamento dos animais
Garrapaticidos? Anti-helmínticos?
Vacinação?
Lavagem do curral
Freqüência
Adição de água
Quantidade
Alimentação do biodigestor
Freqüência
Retirada do efluente
Freqüência
Produção do biogás
Quantidade? Qualidade?
Problemas
Material? Comportamento do
biodigestor? Produção de biogás?
Qualidade do biogás?
Secador de cacau
Funcionamento e desempenho
Produto seco kg h-1
Problemas relacionados ao secador
Temperatura, escassez de biogás
Outras aplicações planejadas
Casa de farinha
Cozinha comunitária
Cocção doméstica
Outros
Problemas gerais
Financeiros? Gerenciais? De
informação?
Vantagens, desvantagens?
Custos? Responsabilidade?
Considerações gerais?
Apêndice B - Avaliação estatística dos resultados experimentais
Resultados da ANOVA das quantidades de biogás geradas por g de MF adicionado
117
F - Fcrit
P
Hipótese
Gli 0 – Gli 5
69,82 - 4,75
0,0000024
H0 - H1 > 0
Gli 5 Gli 10
4,998 - 4,965
0,049
H0 - H1 > 0
Gli 10 – Gli 15
6,53 - 4,965
0,029
H0 - H1 > 0
Gli 0 – Gli 15
8,36 - 4,96
0,016
H0 - H1 > 0
Resultados da separação das médias das quantidades de biogás geradas, por g de
MF adicionado, pelo teste Tukey
qcalc
qtab
α = 0,05
Gli 0 vs. Gli 5
6,39
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 5 vs. Gli 10
2,84
3,96
qcalc < qtab
H0
Gli 10 vs. Gli 15
4,77
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 00 vs. Gli 15
4,47
3,96
qcalc > qtab
H1
150
137,7
126,0
118,5
109,5
100
83,7
72,0
61,6
61,6
50
72,0
72,0
61,6
53,1
19,6
16,8 11,1
0
11,1
14,5
11,1
Gli 0
Gli 5
Gli 10
14,5
14,5
Gli 15
Boxplot (Mediano, quartiles, valores mínimos e máximos) das quantidades de biogás
produzidas por g de MF, no controle e nas três variações.Resultados da ANOVA dos
quantidades de biogás geradas por g de MS adicionado
F - Fcrit
P
Hipótese
Gli 0 – Gli 5
62,58 - 4,75
0,000013
H0 - H1 > 0
Gli 5 Gli 10
0,204 - 4,965
0,661
H0 - H1 < 0
Gli 10 – Gli 15
16,11 - 4,965
0,0025
H0 - H1 > 0
Gli 0 – Gli 15
5,43 - 4,96
0,042
H0 - H1 > 0
MS adicionado, pelo teste Tukey
118
qtab
qcalc
α = 0,05
Gli 0 vs. Gli 5
8,6448
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 5 vs. Gli 10
0,7420
3,96
qcalc < qtab
H0
Gli 10 vs. Gli 15
6,7235
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 0 vs. Gli 15
2,6633
3,96
qcalc < qtab
H0
1600
1400
1200
955,2
1000
815,0
800
735,9
600
545,1
400
200
0
946,8
757,6
713,9
545,1
495,0
245,5
209,7
138,9
138,9
138,9
Gli 0
Gli 5
Gli 10
656,4
495,0
361,6
306,1
218,8
218,8
Gli 15
Boxplot (mediano, quartiles, valores mínimos e máximos) das quantidades de biogás
produzidas por g de MS, no controle e nas três variações.
Resultados da ANOVA dos quantidades de biogás geradas por g de CV adicionado
F - Fcrit
P
Hipótese
Gli 0 – Gli 5
10,09 - 4,96
0,0099
H0 - H1 > 0
Gli 5 Gli 10
1,331 - 4,965
0,257
H0 - H1 < 0
Gli 10 – Gli 15
16,11 - 4,965
0,002
H0 - H1 > 0
Gli 0 – Gli 15
2,669 - 4,964
0,133
H0 - H1 < 0
qtab
qcalc
a = 0,05
Gli 0 vs. Gli 5
8,54
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 5 vs. Gli 10
0,0058
3,96
qcalc < qtab
H0
Gli 10 vs. Gli 15
6,72
3,96
qcalc > qtab
H1
Gli 0 vs. Gli 15
1,83
3,96
qcalc < qtab
H0
119
1600
1400
1244,7
1165,2
1200
1000
1003,0
932,3
960,9 931,9
795,0
800
400
713,2
713,2
600
609,1
609,1
438,0
363,7
310,6
200
205,7
370,7
205,7
205,7
265,2
265,2
0
Gli 0
Gli 5
Gli 10
Gli 15
Boxplot (Mediano, quartiles, valores mínimos e máximos) das quantidades de biogás
produzidas por g de CV, no controle e nas três variações.Resultados da ANOVA dos
quantidades de metáno geradas por g de CV adicionado
F - Fcrit
P
Hipótese
Gli 0 – Gli 5
65,64 - 4,96
1,05392E-05
H0 - H1 > 0
Gli 5 Gli 10
2,00 - 4,96
0,187
H0 - H1 < 0
Gli 10 – Gli 15
16,63 - 4,96
0,002
H0 - H1 > 0
Gli 0 – Gli 15
7,92 - 4,96
0,018
H0 - H1 < 0
Resultados da separação das médias das quantidades de metano geradas, por g de
qtab
Gli 0 vs. Gli 5
qcalc
a = 0,05
11,458
5,70
qcalc > qtab
H1
Gli 5 vs. Gli 10
2,002
5,70
qcalc < qtab
H0
Gli 10 vs. Gli 15
5,777
5,70
qcalc > qtab
H1
Gli 0 vs. Gli 15
3,980
5,70
qcalc < qtab
H0
120

Universidade Estadual de Santa Cruz

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