1-Introdução 2 - Biogás - Universidade de Coimbra

Transcrição

Gestão de Energia ___________________________________________________________2002/2003
1-Introdução
A produção de Biogás vem de milhões de anos antes de Cristo. Os povos
antigos essencialmente agrícolas como no caso dos Hindus , Chineses e Japoneses,
foram os povos que trouxeram esta tecnologia rudimentar até os dias de hoje. Esta
tecnologia evoluiu com o passar do tempo. Os agricultores faziam a limpeza do
terreno e enterravam o lixo, isto permitiu observar a decomposição da matéria
orgânica bem como a formação de um gás combustível a partir dessa matéria.
Na verdade os biodigestores não surgiram do nada, assim como a sua
finalidade primária, a criação de um dispositivo que produzisse um adubo
complementado. Consequentemente alguém descobriu que o gás poderia ser utilizado,
abrindo caminho à sua possível utilização como fonte energética.
Tentamos neste estudo dar alguns conhecimentos básicos do processo,
situação actual deste tipo de energia, concluindo com um estudo de viabilidade
económica no sector da suinicultura em Portugal.
2 - Biogás
2.1- Biogás Características e Propriedades
2.1.1-Conceito de Biogás
O Biogás é uma mistura gasosa combustível, produzida através da digestão
anaeróbica, ou seja, pela biodegradação da matéria orgânica, pela acção de bactérias
na ausência de oxigénio.
2.1.2- Composição e Propriedades do Biogás
•
O Biogás é uma mistura gasosa composta principalmente por:
Nota: Dependendo da origem
COMPOSTOS
Metano
Dióxido de Carbono
Nitrogénio
Oxigénio
Hidrogénio
Sulfureto de Hidrogénio
QUANTIDADES
55 a 66 % do volume de gás produzido
Tabela 1
•
O poder calorifico do Biogás é aproximadamente 21600 kJ/m3
•
O principal componente do Biogás, quando usado como combustível é
o metano (CH4)
•
O metano, não tem cheiro, cor ou sabor, mas outros gases presentes,
conferem-lhe um ligeiro odor de alho ou de ovo podre.
•
Apresenta menor perigo de explosão – NÃO TÓXICO.
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
1
•
A densidade do metano é pouco mais de metade do peso do ar.
(ρ= 0,72 kg/m3)
•
Fonte de energia alternativa e renovável.
2.1.3- Factores de conversão e eficiência energética
Nota: (energia do Biogás produzido/energia da matéria orgânica)
•
Produção de estrume e potencial produção de Biogás
ORIGEM
ESTRUME POR DIA
Peso molhado
MJ
(kg)
40
62
2,3
6,2
0,19
0,9
VACAS
PORCOS
AVES
BIOGÁS POR DIA
m3
MJ
1,2
0,18
0,011
26
3,8
0,26
Tabela 2
•
Medidas das eficiências de combustão
Eficiência Conversão
1
0,8
pigs
0,6
cows
0,4
poultry
0,2
0
5
7
9
11
13
15
17
Período Fermentação (dias)
Gráfico 1
2.2- Produção de Biogás
2.2.1- Meios de produção
•
•
A digestão anaeróbica (processo pelo qual é produzido o Biogás), tratase de um processo natural que ocorre em pântanos, lagos, rios,
tratando-se de uma importante parte do ciclo biogeoquímico do
carbono. Produzido desta maneira o Biogás não é aproveitado como
fonte de energia.
A produção de Biogás é também possível a partir de diversos resíduos
orgânicos:
2
- Excrementos de animais
- Lodos de esgoto
- Lixo doméstico
- Resíduos agrícolas
- Afluentes industriais
Neste caso a digestão anaeróbia é realizada em biodigestores
especialmente projectados, estes produzem uma mistura gasosa que
pode ser usada como combustível. O resíduo dos biodigestores é um
excelente biofertelizante.
2.2.2-Digestão anaeróbico
A digestão anaeróbia é uma reacção química realizada basicamente em
3 estágios, através de diversos tipos de bactérias na total ausência de oxigénio,
são eles:
1. Estágio (Fase de Hidrólise)
A matéria orgânica é convertida em moléculas menores pela acção
de bactérias:
• Hidroliticas – transformam proteínas em peptidios e
aminoacidos; polissacarideos em monossacarideos;
gorduras em graxos.
• Fementativas – transformam produtos anteriores, em
ácidos solúveis e álcoois.
2. Estágio (Fase Acida)
Nesta etapa, bactérias acetogénicas transformam os produtos do
Estágio 1 em:
• Acido acético (CH3COOH)
• Hidrogénio (H2)
• Hidróxido de Carbono (CO2)
3. Estágio (Fase Metanogânica)
As bactérias metanogénicas transformam o hidrogénio (H2), o
acido acético e o Dióxido de carbono em METANO (CH4).
Estas bactérias são extremamente sensíveis a mudanças do meio
tais como PH ou Temperatura.
2.2.3 – Condições necessárias à produção de Biogás
Dado que a produção de Biogás é feito através de bactérias, existem
condicionantes de sobrevivência das mesmas, isso afectara directamente a
produção. As condições de vida para as bactérias são:
1. Impermeabilidade ao ar – A decomposição da matéria orgânica
na presença de ar (oxigénio) irá produzir apenas Dióxido de
Carbono, isto implica que o Biodigestor seja totalmente
vedado.
2. Temperatura – As bactérias (principalmente as que produzem o
METANO) são muito sensíveis à variação da temperatura. A
faixa ideal de temperatura para a produção de Biogás é de 35º a
45º, sendo mais importante a não existência de variações
3
3.
4.
5.
6.
bruscas da temperatura. Em países tropicais ou subtropicais o
Biodigestor dispensa sistema adicional de aquecimento.
Alcalinidade e PH – A alcalinidade é uma medida da
quantidade de carbonato na solução (proveniente do CO2,
produzido durante a digestão anaeróbia). Esta é importante pois
à medida que se produzem ácidos no meio, o carbonato reage
com estes, o que permite um controlo de acidez do meio. As
bactérias sobrevivem numa faixa de PH entre 6,5 e 8,0.
Teor de água - O teor de água dentro do Biodigestor deve variar
entre 60 % a 90 % do peso do conteúdo total.
Nutrientes- Os principais nutrientes das bactérias são o
carbono, nitrogénio e sais orgânicos. Uma relação especifica de
carbono para nitrogénio deve ser mantida entre 20:1 a 30:1. A
produção de Biogás não é bem sucedida se apenas uma fonte de
material for utilizada.
Tempo de retenção- dado ser este o tempo necessário para que
a mateira orgânica produza Biogás, dentro do Biodigestor
(entre 10 a 30 dias).
Material
Lixo cozinha
Excremento suíno
Excremento bovino
Bagaço
Planta marítima
Serrim
Rama de batata
Relação
6-10:1
20:1
25:1
150:1
80:1
200-500:1
25:1
Tabela 3
2.2.4 – Biodigestor
Vista em corte de um
Biodigestor sem
aquecimento
(apresentado em feiras
de ciência para
demonstração)
Figura 1
4
Um modelo de Biodigestor é geralmente constituído por duas partes distintas:
•
Câmara de Fermentação- esta parte comporta a mistura do material
orgânico com água, formando um meio anaeróbico, onde as bactérias
metanogênicas actuarão, resultando na produção de Biogás. Esta
dispõe de algumas peças:
1- Agitador – tem a função de evitar que o CO2, formado na
biodigestão, forme bolhas.
2- Coroa – é o estreitamento da câmara na altura média, para evitar
a perda de Biogás.
3- Tela de Retenção de sólidos – (uso opcional) quando utilizado
material fibroso, esta tem a função de manter este material abaixo
da altura da coroa
4- Dreno para descarga – permitir a descarga do material orgânico.
•
Gasómetro – tem como função a captação e armazenamento do gás,
permitindo ainda uma pressão de saída constante.
Vista em corte do Biodigestor e seus componentes
Figura 2
Uma boa performance do Biodigestor dependera de vários factores:
•
Condições climáticas, no caso de um local com baixas temperaturas,
deve-se utilizar uma isolação térmica adequada ou equipamento de
aquecimento.
•
Material que será utilizado na construção- devem ser levados em
consideração disponibilidade, preço e resistência a corrosão.
5
•
Quantidade e tipo de matéria orgânica que alimentará o Biodigestor
- Dejectos animais
- Resíduos da industria agrícola
(o mais adequado é o excremento de gado, uma vez que este
contêm bactérias produtoras de Metano)
Alimentação do Biodigestor:
-
Por batelada , o Biodigestor é alimentado e após todo o
material ser digerido, é esvaziado e realimentado
novamente.
Figura 3
-
Por alimentação continua – O Biodigestor é alimentado
continuamente, a quantidade que for adicionada é retirada,
neste caso a produção de gás é continua.
Figura 4
2.2.5 – Resíduo da Produção de Biogás
Simultaneamente à obtenção do Biogás, a digestão anaeróbica orgânica
produz, como resíduo, uma substância parecida com lodo, que quando diluída,
pode ser utilizada como fertilizante agrícola.
A este fertilizante chama-se BIOFERTILIZANTE apresentando este
grandes quantidades de nitrogénio e de fósforo. Este fertilizante é vantajoso,
também, dada a sua facilidade de mobilização pelos microorganismos no solo
devido ao avançado grau de decomposição.
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2.2.6- Uso de Biogás
O Biogás pode ser estritamente inflamável, oferecendo condições para:
1. uso em fogão doméstico
2. lampiões
3. combustível para motores de combustão interna
4. secadores de grão ou secadores diversos
5. geração de energia eléctrica
este pode ainda ser utilizado para a industria.
Figura 5
2.2.7 – Vantagens e Desvantagens
•
Vantagens:
-
em termos de tratamento de resíduos
1- É um processo natural para se tratar resíduos orgânicos.
2- Requer menos espaço que aterros sanitários ou
compostagem.
3- Diminui o volume de resíduo a ser descartado
-
em termos de energia
1- É uma fonte de energia renovável
2- Produz um combustível de alta qualidade, através deste
processo evita-se a libertação de METANO para a
atmosfera que provoca um aumento do efeito estufa, (a
combustão do METANO só produz água e Dióxido de
Carbono).
-
em termos ambientais
1- Reaproveitamento da matéria orgânica.
7
2- Produz como resíduo um biofertelizante, rico em nutrientes
e livres de microorganismos patogénicos.
3- Reduz significativamente a quantidade emitida para a
atmosfera de METANO.
4- Por sua vez no tratamento de afluentes, reduz alguns
organismos patogénicos prejudiciais a saúde publica além
de reduzir o consumo de oxigénio neste tipo de reacções.
-
em termos económicos
1- Apesar do elevado custo inicial, numa perspectiva a longo
prazo resulta uma grande economia, pois reduz, gastos com
electricidade, transporte do bujão do gás, esgotos, descarte
de resíduos, etc.
•
Desvantagens
-
Possível formação, caso a biodigestão não esteja a funcionar
correctamente, de gás sulfidrico (H2S), gás tóxico. Implica
possivelmente uma etapa de tratamento do gás obtido.
-
Escolha adequada do material a utilizar na construção do
Biodigestor, pois há formação de gases altamente
corrosivos
-
Custo inicial
-
Possibilidade de custo de manutenção.
3- Situação actual em PORTUGAL
A questão que se põem em relação ao Biogás é a avaliação da sua potencial
importância no contexto das energias renováveis.
Actualmente, a geração de Biogás provém exclusivamente da degradação dos
resíduos da nossa civilização. Há outros dois factores suplementares que ditam a
importância do aproveitamento do Biogás: a redução da energia consumida no
tratamento de resíduos e a queima do metano que faz com que não ocorra o seu
lançamento na atmosfera.
As principais áreas potenciais, de produção de Biogás são as do sector agropecuário, das LIAR’S municipais e dos resíduos sólidos urbanos (RSU).
3.1- Potencial
3.1.1-sector Agro Pecuário
Excluindo as explorações pecuárias com dimensões reduzidas que não
justificam a viabilização, por si só, o aproveitamento do excremento em
instalações de tratamento ”individuais”, o potencial energético diário de
excrementos das explorações de bovinos, de galinhas poedeiras e de suínos, é
8
de cerca de 325000 m3/dia de Biogás o que corresponde a um valor de 61100
tep.
As suiniculturas representam cerca de 75% deste valor, num potencial de 226
GWh/ano de electricidade.
3.1.2- Sector Agro Alimentar
Em Portugal são ainda poucas as empresas com estações de tratamento
de afluentes com digestão anaeróbica.
A sazonalidade da actividade de certas empresas (ex: frutas e legumes),
pode ser um factor que dificulta a sua aplicação. O potencial energético diário
calculado para o sector agro-alimentar é de cerca 171500 m3/dia de Biogás
valor equivalente a 31000 tep/ano e a um potencial global anual de 120 GWh
eléctricos.
Nota: dados retirados da DGE
3.1.3- ETAR’S municipais
Para populações com dimensão superior a 10 a 15 mil habitantes é
económico proceder-se à digestão anaeróbica das lamas com consequente
produção de Biogás. O potencial é muito elevado tanto mais que existe
tendência para a construção de LIAR’S multimunicipais ou que recebem
efluentes de várias povoações.
O potencial disponível aproveitado por cogeração atinge cerca de 157
GWh/ano de energia eléctrica. A energia térmica é utilizada em grande parte
no aquecimento da digestão das lamas.
3.2- Constrangimentos
A digestão anaeróbica é um processo que com excepção do tratamento das
lamas das LIAR, não tem tido aceitação alargada em Portugal, contribuindo para o
efeito o custo elevado de investimento.
No entanto, o processo é indiscutivelmente muito vantajoso na degradação dos
afluentes e resíduos orgânicos existindo tecnologias adaptáveis a qualquer tipo de
substracto sendo, a sua divulgação e conhecimento insuficiente.
3.3- Medidas propostas
A legislação é um factor chave para fomentar a digestão anaeróbica e a
utilização energética do Biogás produzido bem como a valorização dos subprodutos
gerados. A criação de incentivos ao processamento e utilização dos sólidos tratados
como fertilizantes de origem orgânica (não sintéticos).
O sector agro-pecuário é muito sensível às flutuações de mercado,
prejudicando todo o processo de rentabilização do aproveitamento energético do
Biogás. A redução de custos de aquisição de equipamento, bem como o aumento de
apoios a utilização do Biogás e dos subprodutos gerados, constituem a principal
preocupação. O desenvolvimento de soluções tecnológicas e novas formas de
divulgação junto de potenciais utilizadores, tem sofrido uma franca melhoria.
9
Na arca da indústria agro-alimentar é algo complexo, quer devido à tecnologia
empregue quer em termos económico financeiros. Novas políticas fiscais estão a ser
empregues na área de investimento feito por empresas. Estas medidas devem ser
debatidas junto de industriais, bem como o expor e sensibilizar estas para as novas
tecnologias (existência de mecanismos que tornam a digestão anaeróbia uma
alternativa mais aliciante). São também necessárias acções de sensibilização dos
autarcas sobre as vantagens da co-digestão e a promulgação de legislação que impeça
o lançamento para a atmosfera do metano originado em LIAR’S dotadas de digestores
anaeróbios.
A sensibilização das entidades gestoras de aterros sanitários para as diferentes
formas de aproveitamento do Biogás, assim como a criação de incentivos à
investigação de tecnologias de digestão anaeróbica a aplicar no tratamento da fracção
orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU).
3.4-Perspectivas futuras
A revelação da eficácia das tecnologias de digestão anaeróbica e de
aproveitamento de Biogás no tratamento e valorização de resíduos e a contenção do
efeito estufa, com baixos custos de operação, o que evita custos ambientais
correspondentes às fontes convencionais. Permitindo a valorização energética dos
resíduos orgânicos e dos nutrientes nela contida, assimilável pelas plantas, é um
processo que se enquadra no crescimento sustentado.
É de todo importante apoiar esta tecnologia para além do elevado contributo
na arca do ambiente poderá no sector da energia, uma importante fatia, em termos de
balanço energético.
4- Aplicação prática
4.1-Introdução
A possibilidade da implementação de um Biodigestor numa suinicultura e a
sua viabilidade económica tornam estes casos, de elevado interesse no panorama
nacional. Este género de indústria tem em Portugal o maior potencial de aplicação no
sector agro-pecuário, dado constituir 75% deste. Assim sendo criamos um caso que
pensamos ser aplicável no contexto.
Para isso vamos pressupor que temos á nossa disposição uma quinta, que nos
permitirá ter:
- N.º de suínos = 8500 (nº atribuído tendo em vista uma
media a grande empresa)
Esta quinta não dispõem de terreno arável e está situada numa zona com
elevado índice de nitratos nos solos. Convêm ainda salientar que levamos em linha de
conta a necessidade de estabelecer contratos com quintas vizinhas de forma a estas se
poderem ver livres do estrume.
10
4.2- Método
Através de uma análise financeira, vamos calcular o valor actual dos custos e
dos benefícios para cada caso particular do projecto, usando uma taxa de actualização
conveniente. Esta taxa reflecte a desvalorização do dinheiro ao longo do tempo e o
ano em que o “PAY-BACK corrigido” ocorre.
Para aplicar o método são requeridos:
•
•
•
•
custos de investimento:
- digestor anaeróbio com aquecimento
- sistema de cogeração
- separação de fibras
- equipamento de compostagem
- algumas alterações ao sistema de aquecimento
custos operacionais:
- electricidade necessária ao digestor
- reparação e manutenção
poupanças:
- aquecimento das divisões da suinicultura e anexos
- aquecimento das casas residenciais das zonas periféricas
- poupanças nos contratos de remoção de excrementos
benefícios anuais:
- venda de fibras
- benefícios fiscais (DL-177/99, de Novembro)
4.3- Taxa de actualização
Vamos adoptar duas taxas, uma será de 6% e outra de 15% ao ano para o caso
em estudo.
A primeira taxa reflecte o risco de investimento nos limites governamentais,
contudo este investimento é de elevado risco com muitas incertezas no que respeita
aos custos operacionais e a benefícios anuais.
A segunda taxa reflecte o custo de oportunidade, isto é, o retorno que um
investidor poderia esperar de um investimento equivalente de capital com o mesmo
nível de risco.
4.4- Análise de sensibilidade
Para levar a efeito este tipo de análise, considera-se um cenário base utilizando
valores realistas e escolhendo opções que maximizam o lucro para a quinta. Para
calcular factores individuais influentes no crescimento ou decrescimento da
viabilidade económica do projecto, o cenário base foi alterado 3 vezes:
1. Excluímos a hipótese de cogeração e de ganhos na
electricidade.
2. Investimento ou não no separador e possíveis vendas de fibras
provenientes do uso de separador.
3. Custos nas instalações de água quente nas divisões da quinta e
as poupanças incluídas.
11
A variedade de cenários foi então comparada para investigar as mudanças
sensitivas nas várias situações. As mudanças efectuadas foram as seguintes:
1. O preço dos Biodigestores
2. Maior ou menor tempo de vida para o projecto
3. Valores pessimistas para as fibras, sem investimento no
separador até valores optimistas nas vendas das fibras.
4. Sem redução nos custos relativos à remoção dos excrementos
até nenhum custo com esta tarefa.
5. Do mais barato até ao mais caro a nível de custos operacionais.
6. Benefícios fiscais para aceitar outros detritos
7. Mais ou menos eficiência das bactérias
8. Preço de electricidade, mais cara
4.4.1 – Custos de investimento
a) Biodigestor com sistema de aquecimento e possível separador.
O tamanho do digestor é calculado segundo o método descrito por
Meynell (1982, pag. 82). Este método indica que a taxa de carga
orgânica varia entre 0,8 e 3,2 kg de composto volátil (VS) por m3, por
dia.
Geralmente aplica-se 2,8 kg/m3/dia, com este valor o tamanho do
Biodigestor pode ser calculado com algum grau de exactidão.
É melhor sobredimensionar que subdimensionar, para o caso de
aumentos na quantidade de “lixo”, alem disso garante que o “lixo”,
seja digerido correctamente.
- Tipicamente neste tipo de produção temos 5% de teor solido
(TS) e mais 5% destes são constituídos por sólidos voláteis
(SV).
- A quinta possui 8500 suínos.
- Quantidade de excrementos de um suíno = 2,7 kg/dia
•
Quantidade de excrementos diários em m3
(considerado excrementos ≈1000 kg/m3)
Vtotal diário =
1
ρ
× 2,7 × 8500 = 22,95 m3/dia
•
Quantidades de compostos sólidos voláteis
•
29,95 x 0,05 x 0,75 x 1000 ≈ 861 kg.VS/dia
Volume do Biodigestor
Considerando-se 2,8 kgVS/dia como carga de um Biodigestor
12
V=
861kgVS / dia
= 307,5m 3 ≈ 308m 3
2,8kgVS / m 3 / dia
Isto teria um tempo de retenção de 23 dias segundo Meynell (1982, pag
82). O valor encontrado está dentro do que se pratica actualmente
•
Perante este volume, o preço consultado no mercado para um
Biodigestor com aquecimento e separador foi o seguinte:
1. 160755 €
2. 229655 €
3. 459300 €
•
O custo mais baixo foi o escolhido para o cenário base
Preço=160755 €
•
Os separadores podem ser comprados à parte por:
Preço do separador = 22965 €
•
Podemos fazer um novo cenário para o Biodigestor
1. 160755 € - 22965 € = 137790 €
2. 229650 € - 22965 € = 206685 €
3. 459300 € - 22965 € = 436335 €
•
Hipótese de financiamento por parte do estado na ordem dos 30%
sobre o valor total do Biodigestor
Preço para o investidor = 137790 € - (137,790 x 0,3) = 96453 €
•
Tabela de Hipóteses
Cenário base
Custo do Biodigestor
137790 €
Cenários Possíveis
96453 €
137790 €
206685 €
436335 €
Tabela 4
Custo do separador
Cenário base
22965 €
Cenário possível
0 ou 22965 €
Tabela 5
b) Custo do sistema de cogeração
•
No mercado escolhemos 3 tipos diferentes
Preços das unidades de cogeração:
- 114825 € (CHESSHIRE)
- 120000 € (GORNALL)
13
-
38275 € (gerador a diesel HESLOP)
O terceiro caso é o mais barato dado ser um equipamento sem
grandes requisitos de aplicação. Tem a vantagem de não ser corroído
pelo acido sulfídrico, porque o sistema diesel precisa de 10% deste
componente para Funcionar, servindo de lubrificante.
Preço do sistema de cogeração = 38275 €
•
Preço da unidade de
geração
Cenário base
38275 €
Cenário possível
0 ou 38275 €
Tabela 6
c) Equipamentos de compostagem
Para avaliar o custo da implementação de infra-estruturas para
uma unidade de compostagem, analisaram-se algumas unidades de
sucesso em funcionamento da Comunidade Europeia, de forma a
comparar as necessidades existentes:
- Tractor de 120 a 140 Cv (a quinta possui uma unidade)
- Caixa redutora para tractor (a quinta possui uma unidade),
permitindo uma velocidade de 3 a 4 metros por minuto.
- Maquina de Viragem – 25260 €
Precisa-se também de uma cobertura, para o processo de
compostagem. No mercado indicam-nos que o preço é o seguinte, 100
€ m3 .
Para as quantidades envolvidas, no processo e por comparação
com algumas unidades já existentes, conclui-se que, uma cobertura de
200 m3 será suficiente.
Preço da cobertura = 200 x 100 = 20000 €.
Por ultimo a necessidade de uma máquina de embalagem do
adubo proveniente da compostagem.
Preço máquina compostagem = 6134 €
•
Custos dos equipamentos para compostagem
25260 € + 20000 € + 6134 € = 51384 €
Equipamentos de
compostagem
Cenário base
0€
Cenário possível
0 ou 51384 €
Tabela 7
d) Instalação de tubagens de água quente
A modelação da tubagem de água quente, por sondagem feita no
mercado, será aproximadamente:
-7600 € - para as divisões da quinta
-22960 € - para o laborar da suinicultura
Total de 30560 €
14
•
Tubagem de água
quente
Cenário base
0€
Cenário possível
0 ou 30560 €
Tabela 8
4.4.2- Custos operacionais
•
Os custos laborais não são contidos nesta avaliação dado supor-se
que os empregados da suinicultura poderão readaptar-se num novo
esquema laboral
•
Os custos associados com a manutenção do Biodigestor serão
retiradas de vários estudos feitos a anteriormente, por outras
entidades ligadas à área da digestão anaeróbica.
- Experiência do Wallford Callege, Shrewbury, para um
tanque de 300 m3 (ETSU,1997,pág 52) – 3060 €
- The Good Practice Guidelines para D.A.(ESTU,1997,pág
27 – 10700 € a 15300 €
- AD-NETT website sugere-9490 €
•
Cenário base
Custos de operação
10700 €
Cenário possível
3060 €
9490 €
10700 €
15300 €
Tabela 9
4.4.3- Poupanças anuais
A produção de Biogás é calculada por dois métodos.
Método 1
- 40% dos sólidos voláteis são destruídos e convertidas em Biogás
- convencionalmente 1 m3 de Biogás com 60-65% metano é
produzido a partir de 1 kg de sólido voláteis (trata-se de uma
aproximação)
Método 2
Practically Green web site diz que 26 m3 de Biogás são produzidos por
cada tonelada de excremento de porco, assumindo que tem um total de
sólidos de 9%. Este método dá um resultado de 73% de conversão dos
sólidos voláteis em Biogás, o que é mais que o método 1
O método 1 é assim escolhido como cenário base, dado dar uma
alternativa mais conservativa, mesmo menosprezando algum potencial
possível para os sólidos voláteis (VS). O método 1 é também considerado
15
mais razoável dado os 9% do 2º método serem ligeiramente diluídos, no nosso
caso consideramos 5%.
Uma boa relação dada pela DGE é de 1m3de Biogás dará tipicamente:
- Unicamente electricidade –1,7 kWh (assumindo coeficiente
de conversão de 30%)
- Unicamente calor – 2,5 kWh de calor (assumindo o factor
de conversão de 70%)
•
Combinação de calor com electricidade
1,7 kWh de electricidade
2 kWh de calor
É mais económico para o gerador trabalhar, nas horas de pico,
poupando 0,091 €/kWh na factura de electricidade em vez dos 0,0375
€/kWh das horas normais. Consideramos que o gerador funciona 5
horas por dia.
•
Energia produzida na quinta/ano.
Vexcremento = 22,95 x 365 =8377 m3
Massa de sólidos = 8377 x 0,05 x 1000 = 418850 kg
Massa de sólidos voláteis =418850 x 0,75 = 314137 kg
Sólidos voláteis transformados = 314137 x 0,40 = 125,655 kg
-
Unicamente para aproveitamento de calor (aquecedor)
Dado: 1 kg de VS produziu 1 m3 de Biogás
kWh = 125655 x 2,5 = 314137 kW.
- Electricidade e Calor (cogeração)
kWh(calo) = 125655 x 2 = 251310 kwh
kWh(electricidade) = 125655 x 1,7 = 213613 kWh
• Tabela da energia produzida do cenário base
m3 (excrementos)
Sólidos (kg)
Sólidos voláteis (kg)
Sólidos voláteis convertidos (kg)
m3 de biogás
Unicamente para aquecimento
kWh
Cogeração
kWh (calor)
kWh (electricidade)
8377
418850
314137
125655
125655
314137
251310
213613
Tabela 10
16
Se o gerador funcionar 5 horas por dia na hora de pico, os 213613 kWh
a 0,091 €/kWh darão uma poupança de:
Utilizando o método 1
• Para 40% de conversão de solução volátil, temos:
Poupança de electricidade = 213613 x 0,091 = 19438 €
Considera-se este valor como sendo o cenário base.
Utilizando o método 2
A taxa de conversão é de 73%, sendo esta maior que o método 1.No
nosso caso consideraremos:
• Para 60% de conversão se solução volátil, temos:
Massa sólidos voláteis para 60% = 314137 x 0,60 = 188482 kg
Sabendo que 1kg SV produz 1m3 de biogás
kWh (electricidade) = 188482 x 1,7 = 320419 kWh
Poupança de electricidade = 320419 x 0,091 = 29158 €
• Para 70% de conversão de solução volátil, temos:
Massa SV para 70% = 314137 x 0,7 = 219896 kg
kWh (electricidade) = 219896 x 1,7 = 373823 kWh
poupança de electricidade = 373823 x 0,091 = 34017 €
Pode ainda a possibilidade de variação do preço da electricidade. O
governo tem uma taxa de incentivo para a energia proveniente de Energias
Renováveis. O preço da energia para as Energias Renováveis fica então 0,12 €
com apoio governamental.
Para o cenário base com um preço mais elevado ficará:
- Poupança cenário base = 213613 x 0,12 = 25633 €
- Poupança com 60% de custos ano
320419 x 0,12 = 38450 €
- Poupança com 70% de custos ano
373823 x 0,12 = 44858 €
•
Cenário base
Poupanças de
electricidade
19438 €
Cenários possíveis
19438 €
Electricidade a 0,091€
29158 €
34017 €
25633 €
Electricidade a 0,12 €
38450 €
44858 €
40%
60%
70%
40%
60%
70%
Tabela 11
• Poupanças no aquecimento
As divisões a levar aquecimento serão 10, irão ser aquecidas com
3kWh cada uma, aproximadamente 26 semanas por ano. Cálculo da
quantidade de energia necessária para aquecer as 10 divisões num ano:
17
kW( usados em calor) = 10 x 3 x 26 x 7 x 24 = 131040 kWh
Supondo que se uso o aquecimento:
• 17 horas por dia com um custo de 0,091€
17
× 131040 × 0,091 = 8347 € (poupança)
24
• 7 horas por dia com um custo de 0,0375€
7
× 131040 × 0,0375 = 1474 € (poupança)
24
A poupança total no aquecimento será de 8347 + 1474 = 9821 €
Poupança no
aquecimento
Cenário base
0€
0 € ou 9821 €
Tabela 12
• Poupanças na remoção dos excrementos
A quinta gasta anualmente na remoção dos excrementos através de
contractos de 38275 €.
A digestão anaeróbia e a separação das fibras reduzem o volume dos
excrementos. A digestão remove 2 - 4%, e a separação 7 – 25%. Existindo
redução no volume e assim sendo, poupança, estes factores farão parte do
cenário base. Esta redução será a multiplicação das duas percentagens.
2 + 4   7% + 25% 

100 −
×
 =18,52 % de redução no custo
2  
2


18,52 % x 38275 € = 7088 €
Poupança na remoção dos
excrementos
Cenário base
7088 €
0 ou 38275 €
Tabela 13
4.4.4-Lucros anuais
•
Venda de fibras
-
Um produtor de fibras britânico com sucesso, vende sacos de 15 kg
por 0,04 m3, directamente ao público por 7,5 €, o que dará 500 €/
tonelada.
Um perito da área das fibras afirmara que quase não tem valor, não
indo além dos 15 €/ tonelada [1].
18
A separação das fibras é de 7 a 25% da massa original dos excrementos.
Assim sendo cenários para 8377 toneladas de produção de excrementos
digeridos por ano serão:
-
Para os cenários mais pessimistas
1. Para 7% de separação de fibras
8377 ton x 0,07 = 568,39 ton x 15 € = 8795 €
8317 x 0,25 = 2094,25 ton x 15 € =31413 €
3. Não há venda de fibras devido à não aquisição de separador.
- Para os cenários mais optimistas
8377 x 0,07 = 586,39 ton
Nº de sacos 586,39 . 103/ 15 = 39066 sacos
Lucro = 39066 x 7,5 € = 293195 €
2 Para 25% de separação de fibras
8377 x 0,25 = 2094,25 ton
Nº de sacos = 2094,25.103/15 = 139600 sacos
Lucro = 139600 x 7,5 € = 1047000 €
Adoptamos como cenário base o valor mais pessimista de todos, que é 8795 €
de lucro:
Cenário base
Lucros com venda
da fibra
8795 €
0€
8795 € 7%
31413 € 25%
293195 € 7%
1047000 € 25%
15 €/ton
500 €/ton
Tabela 14
Outros factores:
Os tempos de vida considerado em análise de 15 anos e 20 anos.
Consideramos para cenário base 15 anos.
19
4.4.5 Valores e Cenários possíveis
Custos do
Biodigestor
Custo do separador
Custo da unidade de
geração
Custo do
equipamento de
compostagem
Custos de Tubagem
de água quente
Custos
Operacionais
Poupanças de
electricidade
Poupanças no
aquecimento
Poupança na
remoção de
excrementos
Cenário base
Custos capitais
96453 €
137790 €
137790 €
206685 €
436335 €
15000 €
0 a 15000 €
38275 €
0 a 38275 €
0€
0 a 51384 €
0 a 30560 €
3060 €
9490 €
10700 €
10700 €
15300 €
Poupanças anuais
19438 €
29158 €
34017 €
19438 €
25633 €
38450 €
44858 €
O€
0 ou 9821 €
A
B
C
D
0€
7088 €
E
F
G
H
I
J
K
L
0 ou 38275 €
Lucros anuais
Venda de fibra
8795 €
0€
8795 € - 7%
31413 € - 25%
293195 € - 7%
1047000 € - 25%
M
N
O
P
Q
Tabela 15
20
5- Apresentação de resultados
5.1- Cenário base
• Como apresentado na Tabela 16, o cenário para um projecto de investimento
a 15 anos, temos um VLA (6%) positivo. No entanto os 9,2% da TIR conferem algum
risco, não atraindo grandes investidores. Se tivéssemos de pedir o dinheiro à banca,
provavelmente a taxa de juro seria maior que a TIR, sendo o custo do capital maior
que a reentrada de dinheiro dada pelo investimento tornando-o pouco atractivo. Assim
sendo o projecto é tecnicamente viável mas pouco acertado, principalmente tendo em
conta a quantidade de variáveis incertas.
TIR
VLA 6%
VLA 15%
Payback
corrigido
(6%)
Cenário
base (15
anos)
9,2%
48061 €
-47102 €
Cenário
base (20
anos)
10,4%
91336 €
-36959 €
Sem
cogeração
Sem
separador
Com canos
água quente
-10,5%
-102450 €
-122480 €
3,9%
-21967 €
-83266 €
12,3%
112880 €
-20230 €
11 anos
11 anos
>15 anos
>15 anos
9 anos
Tabela 16
• No projecto a 20 anos o VLA 6% e a TIR aumenta ligeiramente.
• Se o sistema de cogeração não for comprado as poupanças feitas na
electricidade deixam de existir, sendo a falta destas tão significativa que torna o
projecto inviável.
• Comprando separador, mas não havendo cenário optimista na venda das
fibras o projecto é inviável, dadas as poupanças na redução do volume para remoção
não serem suficientes para tornar este projecto viável.
• A tubagem para o aquecimento é tecnicamente viável para VLA 6%, sendo
as poupanças feitas em electricidade compensatórias.
VLA €
VLA'S
350000
300000
250000
200000
150000
100000
50000
0
-50000
-100000
-150000
Com canos para
aquecimento
Cenário base 20 anos
Cenário base 15 anos
Sem separador
Sem cogeração
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
i % (taxa de actualização)
Gráfico 2
21
5.2 Custo do Biodigestor
• A tabela 17 mostra que o projecto é sensível ás variações do preço do
Biodigestor, sendo bastante mais aliciante no caso A (ajuda governamental de 30%
sobre o valor total do Biodigestor B), tendo este cenário uma TIR de 13,7% com um
payback de 8 anos. O caso B é analisado no cenário base. Se os preços do Biodigestor
forem superiores a B o projecto é inviável.
Preço
TIR
VLA 6%
VLA 15%
Payback
corrigido (6%)
Biodigestor A
96453 €
13,79%
89395 €
-5761 €
8 anos
Biodigestor B
137790 €
9,2%
48061 €
-47102 €
11 anos
Biodigestor C
206685 €
4,8%
-20831 €
-115990 €
>15 anos
Biodigestor D
436335 €
-1,62%
-250480 €
-345640 €
>15 anos
Tabela 17
VLA's (biodigestor)
300000
200000
VLA €
100000
Bodigestor C
0
Biodigestor A
-100000
Biodigestor B
-200000
Biodigestor D
-300000
-400000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
i% (taxa de actualização)
Gráfico 3
5.3 Custos Operacionais
• Todos os custos operacionais em análise, são estimativas dadas por algumas
unidades em funcionamento e Universidades com estudos nesta área. Dependem de
várias realidades das instalações tais como: localização, grandeza da unidade,
qualidade, etc. A análise é pois pouco sensível aos custos operacionais.
Custos
TIR
VLA 6%
VLA 15%
Payback
corrigido (6%)
Custo E
3060 €
14,58%
122260 €
-2428 €
8 anos
Custo F
9490 €
9,9%
59870 €
-40027 €
11 anos
Custo G
10700 €
9,2%
48061 €
-47102 €
11 anos
Custo H
15300 €
6,24%
3379 €
-74000 €
15 anos
Tabela 18
22
VLA's (custos operacionais)
350000
300000
250000
VLA €
200000
Custo operacional E
Custo operacional F
Custo operacional G
Custo operacional H
150000
100000
50000
0
-50000
-100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Gráfico 4
5.4 Poupanças Eléctricas
• Consideramos para análise das poupanças eléctricas 4 casos possíveis:
I – Energia produzida com 40% de conversão de sólidos voláteis e paga
a 0,091 €/kWh.
J – Energia produzida com 70% de conversão de sólidos voláteis e
paga a 0,091 €/kWh.
K – Energia produzida com 40% de conversão de sólidos voláteis e
paga a 0,12 €/kWh. (com apoio estatal).
L – Energia produzida com 70% de conversão de sólidos voláteis e
paga a 0,12 €/kWh.
Poupança
TIR
VLA 6%
VLA 15%
Payback
corrigido (6%)
Poupança I
19438 €
9,2%
48061 €
-47102 €
11 anos
Poupança J
34017 €
23%
190170 €
38453 €
6 anos
Poupança K
25633 €
13,31%
108220 €
-10877 €
8 anos
Poupança L
44858 €
294940 €
101540 €
5 anos
Tabela 19
• A análise da tabela 19 diz-nos que a eficiência de conversão das bactérias é
extremamente importante na viabilidade económica do projecto, sendo as duas
hipóteses a 70% altamente viáveis.
23
VLA´s (Poupanças de electricidade)
600000
500000
VLA €
400000
Poupança L
Poupança J
Poupança K
Poupança I
300000
200000
100000
0
-100000
0
1
2
3 4
5
6 7
8
9 10 11 12 13 14 15
Gráfico 5
5.5 Fibras
• Na venda das fibras os cenários apresentados são os seguintes.
M – não vendemos as fibras e como tal usamos o cenário base sem a compra do
separador, e sem poupanças na remoção dos excrementos. Não é viável.
N – Vendemos as fibras no cenário mais pessimista a 15 € /ton (não fazendo
compostagem). A taxa de separação de fibras é de 7%. Não é viável.
O – Vendem-se as fibras num cenário pessimista de 15 €/ton (não fazendo
compostagem). A taxa de separação de fibras é de 25%. É um projecto viável com um
payback de 7 anos a 6%.
P – Vendem-se as fibras no cenário mais optimista 500 €/ton (fazendo compostagem e
venda em sacos de 15kg a 7,5 € cada.). A taxa de separação é de 7%, altamente
viável. Payback < 1 ano.
Q – Vendem-se as fibras no cenário mais optimista 500 €/ton (fazendo compostagem
e venda em sacos de 15kg a 7,5 € cada.). A taxa de separação é de 25%. Altamente
viável. Payback < 1 ano.
Lucro
TIR
VLA 6%
VLA 15%
Payback
corrigido
(6%)
Fibra M
0€
4,13%
-22364 €
-83530 €
Fibra N
8795 €
5,8%
-3324 €
-98482 €
Fibra O
31413 €
216350 €
33774 €
Fibra P
293195 €
2758800 €
1564500 €
Fibra Q
1047000 €
10080000 €
5972100 €
>15 anos
>15 anos
7 anos
<1 ano
<1 ano
Tabela 20
Nota: considera-se no entanto para as fibras P e Q, um cenário de venda de 100% da
produção, ou seja conseguiríamos vender todos os sacos de biofertelizante que
produzíssemos.
24
VLA´s (fibras)
17000000
16000000
15000000
14000000
13000000
12000000
11000000
10000000
Fibra Q
VLA €
9000000
Fibra P
Fibra O
Fibra M
Fibra N
8000000
7000000
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
-1000000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Gráfico 6
5.6 Cenário Óptimo
• Consideramos para cenário optimizado o Biodigestor A, os custos
operacionais E, a poupança eléctrica L e uma fibra com taxa de separação de fibras de
18%, (valor interpolado a partir dos valores para 7% e para 25%). Estes cenários
incluem a compra da unidade de cogeração, do separador, do equipamento de
compostagem e da tubagem de água quente.
25
TIR
VLA 6%
VLA
15%
Payback
corrigido
Cenário optimizado (15 anos)
7660900 €
Cenário optimizado (20 anos)
9089200 €
4520100 €
< 1 ano
4854900 €
< 1 ano
Tabela 21
VLA optimizado
14000000
12000000
VLA €
10000000
8000000
Cenário Optimizado
6000000
4000000
2000000
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Gráfico 7
6- Conclusões
Concluímos, que a produção de Biogás poderá ser vista como um processo
altamente benéfico, quanto ao tratamento de vários tipos de resíduos, acrescentando a
vantagem de obter uma fonte de energia renovável, como consequência desse mesmo
tratamento.
Entre as vantagens mais importantes da produção de Biogás citam-se as
seguintes:
- Processo Natural
-Diminuição do volume de resíduos no final do processo
-Fonte de energia renovável
-Produz como resíduo um excelente biofertelizante
-Reduzem-se as emissões de METANO para a atmosfera
Entre as desvantagens citam-se:
-O processo obriga a uma monitorização e manutenção adequada
-Escolha de um material adequado para a construção do Biodigestor
-Custo inicial elevado
No panorama actual o processo de produção de Biogás terá uma maior
aceitação no sector agro-pecuário, agro-alimentar e ETAR’S.
26
A possível viabilidade económica encontra-se dependente de vários factores e
cenários possíveis do caso em estudo. A taxa de actualização do capital, a utilização
ou não da energia produzida (possível venda à rede), quais os equipamentos a utilizar,
aproveitamento ou não das fibras de biofertelizante, infra estruturas já existentes, etc.
No caso estudado, considerando as taxas de actualização descritas, concluímos que a
viabilidade económica do projecto depende dos cenários considerados. Pode-se no
entanto dizer que no cenário base (secção 5.1) a inviabilidade económica é um facto.
Analisando o custo do Biodigestor (secção 5.2) para os vários cenários conclui-se
também que existem dois casos de inviabilidade e dois de alto risco (C, D e A, B)
A viabilidade pode ser possível caso haja necessidades energéticas e ou venda
da própria energia a rede, neste caso apesar do risco (secção 5.4) seria possível
viabilizar o projecto. O caso de viabilidade assegurada encontra-se com a possível
venda de fibras (secção 5.5).
Conclui-se que além de uma excelente ferramenta de tratamento de resíduos,
poderá ter resultados interessantes caso se suponham poupanças energéticas
consideráveis, e caso haja possibilidade de garantia de mercado na área dos
boifertelizantes. Resta acrescentar que mesmo que não haja condições para a
realização de ganhos financeiros, tem-se por certo ganhos a nível ambiental e caso
este se torne prioridade, os benefícios podem exceder os próprios ganhos financeiros.
27
Referências Bibliográficas:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Apontamentos de Economia
Sorensen, Bent – “Renewable Energy” – 2ª edicão (2000)
Direcção Geral Energia – “Energias Renováveis em Portugal”
Boyd, Rachel – “Internalising Environmental Benefits of Anaerobic Digestion
of Pig Slury in Norfolk” [1]
Pereira, Ana – “Seminário de Biogás” – FEUP (2002)
www.cdcc.sc.usp.br/escolas/juliano/biodiges.html
www.energiahp.hpg.ig.com.br/biodig.htm
www.aondevamos.eng.br/boletins/edicao03.htm
www.roseworthy.adelaide.edu.au/~pharris/biogas
www.biogasworks.com
28

1-Introdução 2 - Biogás - Universidade de Coimbra

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