O interesse em fontes energéticas renováveis está em forte crescimento, por conta da necessidade de reduzir o consumo de energia fóssil e, ao mesmo tempo, as emissões de gás de efeito estufa. Uma contribuição fundamental pode ser dada pela produção de energia elétrica com grupos geradores de cogeração, abastecidos com biogás extraído da digestão anaeróbica de biomassas fermentáveis. O processo permite a transformação em energia de cultivos específicos (ensilados de cereais fora da estação, de milho, de alfafa etc) ou de subprodutos agrícolas (estrumes dos animais) e industriais (melaço, vinhaça, bagaço etc).
As fases da produção do biogás. Após a produção e a recuperação de biomassas, as mesmas precisam ser transportadas e estocadas na espera da transformação em biogás, que abastecerá um motor endotérmico de ajuste cogenerativo (CHP), para produzir eletricidade e calor. A produção de biogás (que contém metano a 50-75%) deriva da degradação da substância orgânica em compostos intermediários (substancialmente ácido acético, dióxido de carbono e hidrogênio) sucessivamente consumidos pelos micro-organismos metanogênicos. O rendimento do processo está estritamente ligado às características da central e aos dispositivos com os quais ela está equipada.
Alocação dos autoconsumos elétricos e térmicos de uma central de biogás
Estrutura do processo. Antes ou no decorrer da entrada no digestor, a biomassa pode ser pré-tratada para aumentar a digestibilidade, tornando-a mais adequada à ação das bactérias. A verdadeira digestão deve ocorrer na ausência de oxigênio e a valores de temperatura, pH e de concentração de substância seca destinados a favorecer a atividade microbiana. Após a produção, o biogás precisa ser filtrado, desumidificado e dessulfurado, para se adequar ao abastecimento do motor endotérmico que produz energia elétrica para a rede (mediante grupo gerador combinado) e energia térmica (sob a forma de água quente, potencialmente explorável).
Esquematização de um reator completamente misturado
A digestão. Sua duração, chamada de “tempo de retenção hidráulica”, varia conforme a temperatura de processo (mesófila: 35-40 °C; termófila: 50-55 °C) e o tipo de biomassa. O período ideal é mais longo para os estrumes do que no caso do material vegetal. Em paridade de condições, com o prolongamento do tempo de retenção se tem uma degradação maior da biomassa e, consequentemente, uma produção superior de biogás (em m³/tSV). Com uma provisão diária constante de biomassa, o aumento do tempo de retenção comporta a construção de digestores de capacidade maior. Todavia, dado que justamente a construção representa um item de despesa importante, a otimização do processo é obtida assegurando as condições mais convenientes ao desenvolvimento de bactérias, principalmente em relação à mistura da biomassa, feita mediante misturadores mecânicos ou bombas específicas que promovem a recirculação do substrato, dentro do digestor individual e entre os que compõem todo o sistema. Além disso, para manter a temperatura do processo constante, contam com bombas do fluido de vetor térmico, representado pela mesma água quente (a 60-80 °C), proveniente de circuitos de resfriamento do motor de cogeração, que pode escorrer em um circuito externo ou interno ao digestor. Quer do ponto de vista de concepção, quer do ponto de vista operacional, a gestão de tais bombas deve ser bem monitorada: as potências e as capacidades são limitadas, enquanto o tempo de funcionamento depende substancialmente da temperatura ambiente. No verão e no caso de centrais que atuam em sistema mesófilo, são usadas somente por poucos minutos ao dia.
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A mistura. No âmbito dos autoconsumos elétricos da central de biogás, a parcela dedicada à mistura é a mais importante e, portanto, representa um dos aspectos capazes de incidir na eficiência geral do processo. Sendo assim, é necessário escolher e dimensionar corretamente os misturadores na fase de projeto, enquanto na gestão os tempos de funcionamento devem ser atentamente calibrados.
As centrais de biogás de instalação agrícola podem dispor de reatores com fluxo a pistão (substancialmente sem misturar), reatores de fluxo horizontal (de formato cilíndrico ou paralelepípedo, cuja biomassa entra por uma extremidade e sai por outra e é misturada com dispositivos a pá) ou reatores completamente misturados, que são os mais conhecidos, cujo substrato é intensivamente mexido com misturadores e/ou bombas.
Misturador com hélice com motor externo ©Doda Construção de Máquinas Agrícolas de Doda Aldo e C. snc
A seleção do misturador mais indicado depende do tipo de processo (etapa única, etapa dupla, de mistura completa ou horizontal etc.), das características do digestor (volume, conformação etc.), da composição da biomassa e, não por último, do teor de substância seca (s.s.) do material introduzido nos digestores, que, de qualquer modo, não pode superar 12-13% de sólidos em suspensão. Já a potência de mistura instalada por unidade de volume do digestor depende da forma do reator, mas, sobretudo, da concentração da biomassa presente: para esgotos com baixo teor de s.s., vai de 20 a 40 W/m³; para esgotos com sólidos de 8%, aumenta para 50-80 W/m³; e atingir 100-200 W/m³ para matrizes com conteúdo de s.s. ainda superior e na presença de impurezas. A mistura é mais eficaz quando se pode regular os períodos e a duração de sua execução, assim como a profundidade de trabalho dentro do digestor, que pode ser variada, por exemplo, mediante um guincho que desloca para a vertical o eixo principal ou modificando a inclinação de trabalho das turbinas. Embora não existam regras de caráter geral, os misturadores com motor interno se mostram cada vez mais versáteis nesse sentido, mais do que aqueles com motor externo, suscetíveis a intervenções apenas durante o tempo de funcionamento e, eventualmente, no regime de rotação. A escolha dos materiais de construção, quer do motor, quer das hélices/pás, deve necessariamente considerar que o ambiente de trabalho é altamente desgastante devido à presença de metano, e bastante corrosivo, sobretudo, por conta do conteúdo de hidrogênio sulfureto no biogás. A confiança nos misturadores deve ser máxima: principalmente para aqueles com motor interno, as operações de manutenção extraordinária ou de conserto/substituição podem comportar interrupção da produção de biogás e, nos piores casos, até o esvaziamento dos reatores.
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Importantes economias de exercício. Tenha em mente que uma mistura ideal pode ser conseguida com a presença simultânea de tipos diferentes de misturadores. Considerando uma valorização da energia elétrica equivalente a 0,50 R$/kWh, estudos recentes realizados na Alemanha evidenciaram que, em termos agrícolas, se gastam aproximadamente R$ 364 milhões/ ano somente para a mistura; intervindo com atenção, existe a possibilidade de reduzir tal ônus em até 70%; assimilando, por exemplo, esse dado à produção da Itália, que se baseia em uma potência total instalada de 380 MWe, que valoriza a eletricidade a 0,70 R$/kWh e considera um autoconsumo elétrico médio para mistura de 1,2% da produção total, obtém-se uma despesa anual relativa de R$ 26-36 milhões, portanto, com um potencial de economia de até R$ 18-19 milhões e, especialmente, redução da emissão de gás estufa de uns 1.400- 1.500 t CO2 eq/ano.
