10-Biogas

Prévia do material em texto

BIOGÁS
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Maio 2012
Histórico
Século 17 - Robert Boyle e Stephen Hale notaram a existência de um gás 
inflamável em pântanos.
1808 - Humphry Davy determinou a presença de metano nos gases 
produzidos pelo esterco de gado
1859 – Primeiro digestor anaeróbico, construído em Bombay, India
1859 – Desenvolvimento de um tanque séptico para gerar gás para 
iluminação pública em Exeter, Inglaterra.
1904 – Primeiro tanque de duplo propósito: sedimentação e tratamento 
de esgoto, instalado em Hampton. I
1907 – Patente do tanque Imhoff, na Alemanha, uma forma inicial de 
digestor.
A pesquisa científica da digestão anaeróbica ganhou reconhecimento 
científico nos anos 30. A pesquisa levou à descoberta das bactérias 
anaeróbicas, microorganismos que produzem o processo. Pesquisas 
posteriores mostraram as condições nas quais as bactérias 
metanogênicas são capazes de crescer e reproduzir. 
BIOGÁS
Biogás é um biocombustível gasoso produzido pela fermentação 
anaeróbica da matéria orgânica. O biogás é uma mistura de gases, com 
CH4 e CO2 acima de 90%.
Biomassa com alto teor de umidade, tal como esterco animal, e resíduos 
da produção de alimentos pode ser utilizada para a produção de biogás 
através de biodigestores
A digestão anaeróbica é um processo onde um tipo particular de 
bacterias digere a biomassa em um ambiente isento de oxigênio. Estas 
bactérias quebram os resíduos orgânicos em vários estágios, resultando 
na produção de biogás.
A digestão anaeróbica controlada requer um reator isolado do ar 
chamado digestor. 
H2S
Esterco
Dióxido de 
Carbono 
(CO2)
Efluente Tratado
patogênicos
macronutrientes
orgânicos instáveis
Energia
Metano (CH4)
Livre de patogênicos
Rico em nutrientes
estável (baixo odor)
Digestor
Anaeróbico
Processo Biológico
Processo de Biodigestão Anaeróbica
BIOGÁS
• Metano é um gás combustível. O poder calorífico do biogás depende 
do teor de metano, que varia de 55 a 80%.
1 m3 biogás = 2 h de cocção
2,5 m3 de biogás equivalem a 1kg de GLP
• Pode-se limpar o biogás – 97% metano
Vantagens:
• Reduz:
- Cheiro
- Gás de Efeito Estufa (CH4)
- Nível Patogênico 
• Produz biogás 
• Aumenta o valor fertilizante do esterco
• Protege os cursos de água
BIOGÁS
A reação bioquímica de transformação da matéria orgânica é complexa, 
mas pode ser representada por (McCarty):
C99H149O59N+x*H2O => y*CH4 + z*CO2 + w*C5H7NO2+k*NH4+ +n*HCO3
Etapas do Processo de Biodigestão:
• Liquefação
• Produção Ácida
• Produção Acética
• Metanização Componente % Volume Seco
Metano 45-55
CO2 45-55
N2 1-12
O2 0,3
H2S 0,01-0,05
Outros 0,1-0,5
Propriedades Valor
Temperatura do Processo 40-45°C
Poder Calorífico Inferior 15.000 – 20.000 kJ/m3
Umidade Saturado
BIOGÁS
Liquefação:
A matéria orgânica complexa é degradada a sua estrutura básica 
pelas bactérias na água: 
- Proteína -> Polipeptidos e Aminoácidos
- Gorduras -> Glicerina e ácidos graxos
- Amilose -> Monossacaridios e Polissacarídios
Produção Ácida:
• Também chamada Acidogênesis
• As matérias orgânicas simples são convertidas em H2 e CO2
• As bactérias que agem neste processo são chamadas bactérias 
produtoras de hidrogênio e bactérias produtoras de ácido.
BIOGÁS
- Algumas espécies de bactérias são facultativamente anaeróbicas e 
outras são obrigatoriamente anaeróbicas
- Contagem típica num biodigestor anaeróbico 106- 108 / mL
- Os grupos dominantes são:
Enterobactericeae, anaerobic bacilli, streptococci; Bacteroides, 
Clostridia e lactobacilli
Etapas da Fermentação Anaeróbica BIOGÁS
Produção Acética:
• Acetogenesis. 
• Os ácidos graxos de cadeia pequena são metabolizados por 
synthrophic acetogenic e bactérias homoacetogenica em acetato, H2 e 
CO2.
Produção de Metano:
• Metanogênesis
• Neste processo ácido acético, H2 e CO2 são convertidos em CH4. 
• As bactérias produtoras de Metano necessitam de valores estritos de 
PH e baixa adaptabilidade de temperatura.
BIOGÁS BIOGÁS NA NATUREZA
• Organisches Material
• Feuchte Umgebung
• Unter Luftabschluss
(anaerob)
• Methanbakterien
BIODIGESTORES
Aplicações:
Os biodigestores podem processar diferentes matérias, e podem ser 
implementados em uma variedade de aplicações:
• Propriedades Rurais com mais de 4 cabeças de gado, onde o 
esterco pode ser coletado.
• Propriedades Rurais com uma mistura diversa de materiais, 
incluindo esterco de porcos, galinhas e cabritos.
• Propriedades Rurais de criações onde existe uma concentração de 
esterco acessível.
• Instituições como escolas rurais onde não existe rede de esgoto e 
um grande número de usuários.
VANTAGENS DA BIODIGESTÃO ANAERÓBICA
- É possível alto grau de estabilização dos resíduos
- Baixa produção de resíduo biológico
- Baixa necessiade de nutrientes
- Não necessita de oxigênio
- Produz metano
- O resíduo ativo pode ser preservado por muitos meses
- Resistente a variação de carga
BIODIGESTORES
‰ Floresta: 88 ton biomassa/ha/ano 
‰ Bovinos: 10 ton estrume/ano 
‰ 1 m3 estrume (500 kg, 20% de sólidos) 
Æ 16,5 m3 de metano, 30 m3 de biogás
‰ Biogás com:
55% de CH4 = 5500 kcal/ m3
95% de CH4 = 8400 kcal/ m3
‰ Tempo de retenção: 90 dias
‰ 1 m3 de cuba de fermentação produz 
diariamente cerca de 0,6 m3 de biogás 
(CNTP)
‰ Decomposição diária média de 3,6 kg 
de celulose
‰ Custo = praticamente ZERO
‰ Maior `problema’= MÃO-DE-OBRA
Tipos de Biodigestores
• Gasômetro Flutuante (Indiano)
• Cúpula fixa (Chinês)
• Biodigestor Inflável (Vaso Flexível) 
China: mais de 12 milhões de biodigestores domésticos e mais de 
1.500 plantas industriais, produzindo mais de 5 bilhões m3/ano 
(2006)
Tipos de Biodigestores
Alimentação por Batelada:
• Projeto Simples.
• Baixo Custo.
• A matéria prima é carregada em batelada.
• Produção Irregular de gás.
• Podem operar com alto teor de sólidos.
• Menos susceptíveis às flutuações dos fatores. 
• Requer trabalho manual.
Tipos de Biodigestores
Alimentação Contínua:
• Desejável para biodigestor de grande escala.
• Produção contínua de gás.
• Necessitam de equipamentos auxiliares.
• Requer alto teor de matéria líquida.
• Temperatura, taxa de carga e teor de sólidos devem ser 
cuidadosamente monitorados e controlados.
Biodigestor Indiano Biodigestor Indiano
Biodigestor Indiano Biodigestor Chinês
Biodigestor Chinês - Construção Biodigestor Chinês - Construção
Brick biogas plant with vaulted cover (5 m3) 
(1) Charging basin.
(2) Fermentation chamber.
(3) Pressure adjustment chamber.
(4) Inlet.
(5) Outlet.
(6) Cover of fermentation tank.
(7) Outlet for condensed water.
(8) Zinc-coated pipe fixed to fermentation
chamber
Materials required
Fermentation No. Cement Sand Steel pipe 6 cm
volume bricks (kg) (m3) in diameter (kg
2m3 800 400 1,0 2,5
3m3 1000 500 1,2 3,0
5m3 1500 600 1,7 3,0
10m3 2100 800 2,5 3,0
Building a biological gas (biogas)
plant to supply a farm household
Rural life PT2002-25
Biodigestor Chinês - Operação Biodigestor Cúpula Fixa
Biodigestor Cúpula Fixa Biodigestor Cúpula Fixa
Biodigestor Inflável Biodigestor Inflável
Biodigestor Inflável Biodigestor Inflável
Biodigestor Inflável
Estação Tratamento de Esgotos
Estação Ouro Verde
Foz do Iguaçu - PR
Geração 990 kWh
Biodigestor Inflável
Agro-Oven” Ltd, village Elenovka, Ukrania
The main characteristics of CHP biogas plant :
Pig manure flow rate: 80 t/day
Total solids contents: 2-3.5 %
Digesters volume: 2×1000 m3
Biogas production: 750 Nm3/day
Utilization of biogas: two CHP units 
(capacity 80 kWel +160 kWth each)
CO2 reduction: 7500 t/yr
Mineral fertilizers substitution: 
N - 160 t/yr, P - 90 t/yr, K - 65 t/yr
Investment: $ 413 000 
Payback period: 8.1 years
Solução Integrada Instalação Completa
BIOGÁS
Biogas
utilisation
Electrical
energy
Thermal 
energy
Feeding in 
gas grid
Biogas 
cleaning
Biogas upgrading
Cogeneration
Cooking
Lighting
Cooling
HeatingDirect
burning
Vehiclefuel
Spreading
Gardening
Gardening
Agriculture 
Agriculture 
Transport
Energy crops, grass
from Landscape 
maintenance (grass, 
maize, beets)
Agricultural residues
(manure, slurry)
f
e
r
m
e
n
t
a
t
i
o
n
Storage
Separation
solid components
become compost
solid components
become compost
liquid components back to the
fermentation or spreading
liquid components back to the
fermentation or spreading
Usos do Biogás
• Eletricidade pode ser gerada por diferentes tecnologias:
- Motores de Combustão Interna (ciclo Otto)
- Turbinas a Gás
- Microturbina (usada em pequenos aterros e nichos)
- Motores Stirling (combustão externa) em desenvolvimento
- Motores de Ciclo Rankine Orgânico (em desenvolvimento)
- Células Combustível (em desenvolvimento)
Existem cerca de 250 estações no EUA, dos quais 200 usam motores 
do ciclo Otto.
Usos do Biogás
• Uso Direto:
- Caldeiras projetadas ou modificadas para uso com biogás. 
- Co-geração (CHP)
- Injeção na Tubulação de Gás Natural (Após enriquecimento)
- Combustível automotivo (Comprimido ou liqüefeito)
- Secagem e aquacultura 
Obs: Os distribuidores de gás são relutantes em colocar o biogás no 
gasoduto. 
Usos do Biogás
Enriquecimento do Biogás
Enriquecimento do biogás implica em um processo que partes 
significativas do CO2, H2O, H2S e outras impurezas são removidas do 
gás:
• Principais tecnologias:
- Water scrubbing (lavadores de gás)
- Separação por membranas
- Pressure swing adsorption (PSA)
- Mistura com gases de maior qualidade
Biogás na Áustria
Biogás na Áustria
Linz: Transporte público com bio GNC
86 ônibus em 2008
Utzenaich: Biorefinaria
Injeção de Biogas no Gasoduto
www.biogas.klimaaktiv.at
Biogás Automotivo - Suécia
Biogás Automotivo - Suécia Trem a Biogás- Suécia
Linha: Linköping - Västervik (80 km/dia) - Trem 334 Svensk Biogas AB
Comprimento 24,4 m Tara 47 tons
Numero de passageiros 54 sentados
Motores 2 Volvo GH 10 B (210 kW / 1200 Nm)
Velocidade Máxima 130 km/h
Volume do tanque 530 m³ (cntp) Autonomia 600 km
Bio-Bug
New Beetle conversível. Adaptação: GENeco. Gas: Wessex Water, Bristol
BIOGÁS - Alimentação Sólidos
U. T. S. Professional
Solids charging for daily rations from 10 – 50 
tons/day
BIOGÁS - Alimentação Líquidos
Lipp Digestor Ligavator Biomass storage
Feedstock
• cabbage
• potatoes
• beets
• grain
•maize
lactic acid
Preservation at pH4
continuous 
liquid feeding
substrate preperation with up 
to 20 % - 30 % water
Rayong´s Biogas Project
Local: Rayong 179 km leste de Bangkok
Operação: Junho 2004
Produção Elétrica: 5 MW
Custo: US$4,5 Milhões 
Renda Anual: US$315.000
Carbono Evitado: 14.179 ton/ano
Material: Resíduo orgânico sólido
https://www.iclei.org/fileadmin/user_upload/documents/SEA/CCP_Projects/Rayong.pdf
Fossa Séptica Biodigestora
Desenvolvida pela Embrapa
1) substituir, a um custo barato, o esgoto a céu aberto e as fossas sépticas 
2) utilizar o efluente como um adubo orgânico, minimizando gastos com adubação 
química, melhorar o saneamento rural e desenvolver a agricultura orgânica.