Parte 03 - Biomassa UFJF

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Aproveitamento Energético de Biomassa
Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Energia Elétrica
Aproveitamento Energético de Biomassa
ENE105
Parte 03
Professor: Leonardo Willer de Oliveira
E-mail: leonardo.willer@engenharia.ufjf.br
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraPotencial de Agro
Energia e dos Resíduos
Estudo de Caso
Estudo de Viabilidade de Aplicação do Biogás 
no Ambiente Urbano
22
Análise de viabilidade de um sistema de receitas pela produção de
biogás, biofertilizante e créditos de carbono a partir dos resíduos
contidos no lixo urbano e das estações de tratamento de esgoto de
uma cidade hipotética de 200.000 habitantes.
Andrei Feijó da Silva Santos, MBA – Administração Organizações, Universidade de 
São Paulo, Faculdade de Economia e Administração – Ribeirão Preto, 2009.
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Energia e dos Resíduos
1. Análise da geração de biogás de aterros sanitários
Geração de resíduos = Geração média por habitante dia x
dias de geração x
número de habitantes
33
Geração média de resíduos por habitante ao dia (IBGE, 1996)
Geração de resíduos = 0,5 x 365 x 200.000 = 36.500 ton / ano
Habitantes kg / habitante.dia
Até 100.000 0,4
De 100.001 a 500.000 0,5
De 500.001 a 1.000.000 0,6
Mais de 1.000.000 0,7
Confederação Nacional de 
Municípios, 2010
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De acordo com o IPCC (Intergovernmental Panel about Climate Changes)
0,06145 ton-Metano / ton-Resíduo
Logo:
44
Emissão de Metano = 
Geração de Resíduos x
Taxa de Geração de Metano por unidade de resíduo
Emissão de Metano = 36.500 x 0,06145 = 2.242,8 ton / ano
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Composição média do biogás
Substância Percentual de volume 
molar (%)
Percentual de volume molar 
- caso conservador (%)
Metano (CH4) 55 a 75 55,0
Dióxido de carbono (CO2) 25 a 45 42,2
55
Emissão de Metano = 2.242,8 ton / ano = 55% Emissão de Biogás
Logo:
Emissão de Biogás (100%) = 4.077,8 ton / ano 
Dióxido de carbono (CO2) 25 a 45 42,2
Nitrogênio (N2) 0 a 3 1,5
Oxigênio (O2) 0 a 1 0,5
Sulfeto de hidrogênio (H2S) 0 a 1 0,5
Amoníaco (NH3) 0 a 0,5 0,25
Monóxido de carbono (CO) 0 a 0,1 0,05
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Substância Percentual de volume molar -
caso conservador (%)
Volume (ton / ano)
Metano (CH4) 55,0 2.242,8
Dióxido de carbono (CO2) 42,2 1.720,8
Volume de gases do biogás gerado
66
Dióxido de carbono (CO2) 42,2 1.720,8
Nitrogênio (N2) 1,5 61,2
Oxigênio (O2) 0,5 20,4
Sulfeto de hidrogênio (H2S) 0,5 20,4
Amoníaco (NH3) 0,25 10,2
Monóxido de carbono (CO) 0,05 2,0
Total de Biogás 100 4.077,8
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Volume de Biogás = 
Massa de Biogás / Densidade do Biogás
Volume de Biogás = 
4.077,8 ton / ano / 0,72 kg / m3 = 5.695 m3 / ano
77
Receita de Biogás = Volume de Biogás x Preço
Receita de Biogás = 5.695 m3 / ano x 1,269 R$/m3
Receita de Biogás = 7.227 R$/ano
Obs.: Relatórios de Referência - CETESB (Companhia de Tecnologia de Saneamento
Ambiental), Secretaria do Meio Ambiente, Ministério da Ciência e Tecnologia
Obs.: cálculos aproximados
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2. Análise da geração de biogás das estações de tratamento 
de esgoto
“Demanda bioquímica ou biológica de oxigênio (DBO), ou carência
bioquímica de oxigênio, corresponde à quantidade de oxigênio
consumido na degradação da matéria orgânica no meio aquático
88
consumido na degradação da matéria orgânica no meio aquático
por processos biológicos, dada em mg/L ou kg/dia.”
DBO = População x
Valor da DBO x
(1 – matéria removida como lodo, %)
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DBO = 200.000 habitantes x 18,25 kg / habitante.ano
DBO = 3.650 ton / ano
Fator de emissão dos esgotos = 
Obs.: 18,25 kg / habitante.ano (referencial teórico)
99
Fator de emissão dos esgotos = 
Capacidade máxima de produção de metano (kg metano / kg DBO) 
x
Fração de conversão do metano (%) 
x 
Fração tratada (%)
Fator de emissão dos esgotos = 
0,6 kg metano / kg DBO x 80% x 100% = 0,48 kg metano / kg DBO
Obs.: 80% e 0,6 kg metano / kg DBO (referenciais teóricos)
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Emissão de Metano = DBO x Fator de emissão dos esgotos
Emissão de Metano = 3.650 ton DBO / ano x 0,48 kg metano / kg DBO
Emissão de Metano = 1.752 ton metano / ano = 55% Emissão de Biogás
Volume de gases do biogás gerado
Substância Percentual de volume molar -
caso conservador (%)
Volume (ton / ano)
1010
caso conservador (%)
Metano (CH4) 55,0 1.752,0
Dióxido de carbono (CO2) 42,2 1.344,3
Nitrogênio (N2) 1,5 47,8
Oxigênio (O2) 0,5 15,9
Sulfeto de hidrogênio (H2S) 0,5 15,9
Amoníaco (NH3) 0,25 8,0
Monóxido de carbono (CO) 0,05 1,6
Total de Biogás 100 3.185,5
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Volume de Biogás = 
Massa de Biogás / Densidade do Biogás
Volume de Biogás = 
3.185,5 ton / ano / 0,72 kg / m3 = 4.424 m3 / ano
1111
Receita de Biogás = Volume de Biogás x Preço
Receita de Biogás = 4.424 m3 / ano x 1,269 R$/m3
Receita de Biogás = 5.614 R$/ano
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3. Análise da geração de biofertilizante
Geração de biofertilizante =
80% x Geração de resíduos
80% - medida conservadora, varia de 80 a 90%
1212
3.1 Resíduos do aterro
Geração de biofertilizante= 80% x 36.500 ton /ano = 29.200 ton /ano
Geração de biogás e biofertilizante dos resíduos do aterro
Material Massa (ton) Percentual (%)
Biofertilizante 29.200 80
Biogás 4.078 11
Perdas 3.222 9
Total 36.500 100
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3.2 Resíduos das estações de tratamento de esgoto
Quantidade de resíduos = 28.959 ton / ano (função da população)
Geração de biofertilizante= 80% x 28.959 ton /ano = 23.167 ton /ano
1313
Geração de biogás e biofertilizante do tratamento de esgoto
Material Massa (ton) Percentual (%)
Biofertilizante 23.167 80
Biogás 3.185 11
Perdas 2.606 9
Total 28.959 100
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Receita a partir do biofertilizante
Local Quantidade (ton / ano)
Aterro 29.200
1414
Estações de tratamento 23.167
Total 52.367
Receita de Fertilizante = Quantidade x Preço
Receita de Fertilizante = 52.367 ton / ano x 30 R$/ton
Receita de Fertilizante = 1.571.010 R$/ano
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4. Análise da geração de créditos de carbono
Ao todo, tem-se a geração de metano:
2.242,8 ton / ano (aterro)
+
1515
+
1.752 ton / ano (tratamento esgotos)
=
3.995 ton-CH4 / ano
Considerando-se combustão completa do metano
1CH4 + 2O2 → 2H2O + 1CO2
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Aterro Sanitário Bandeirantes (São Paulo)
• Desativado desde março de 2007, operou durante 28 anos e
recebeu cerca de 36 milhões de toneladas de resíduos;
• A captação do biogás foi iniciada em 2004; 
1616
• A captação do biogás foi iniciada em 2004; 
• Capacidade para gerar aproximadamente 170 mil MWh de energia 
elétrica por ano;
• Possibilitou a comercialização pela prefeiturade São Paulo de
Redução Certificada de Emissões;
• Em 09/2007, o banco holandês Fortis Bank NV/SA desembolsou
R$ 34 milhões pelo lote de 808.450 créditos em negociação pela
Prefeitura na Bolsa de Mercadorias e Futuros.
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https://br.investing.com/commodities/carbon-emissions-streaming-chart
1717
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4. Análise da geração de créditos de carbono
Da relação entre as proporções de créditos de carbono pela
remoção de CH4 e CO2 igual a 20:
1818
3.995 ton-CH4 / ano x 20 créditos / ton = 79.896 créditos / ano
Adotando-se o preço de mercado de créditos de carbono como US$
5,00* e uma cotação de 1,80* R$/US$, tem-se:
*valores à época da referência utilizada
Receita de Créditos de Carbono = 719.060 R$/ano
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5. Sumário das Receitas
Receita de Biogás = (7.227 + 5.614) R$/ano
+
1919
Receita de Créditos de Carbono = 719.060 R$/ano
Receita de Fertilizante = 1.571.010 R$/ano
+
=
Receita Total = 2.302.911 R$/ano
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6. Análise Econômica
6.1 Valor Presente Líquido (VPL)
Valor presente das receitas subtraído do valor presente dos custos,
atualizada à taxa de desconto
2020
Em que:
R = receitas;
C = custos;
h = período de investimentos;
t = ano em que ocorre o custo ou a renda;
i = taxa de desconto.
   1 1
h h
t t
t t
t i t i
R C
VPL
i i 
   
     
       
 
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6.2 Taxa Interna de Retorno (TIR)
Taxa de desconto que torna o valor presente dos benefícios igual ao
valor presente dos custos
6.3 Payback
2121
6.3 Payback
Tempo necessário para que o somatório das receitas se iguale ao
somatório dos custos
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Projeto Integrador UFJF/Energia - 2014/3
P
ro
je
to
 d
e 
B
io
di
ge
st
o
r 
R
e
si
d
en
ci
al
2222
Paulo Sérgio / Luciana Acácio
http://www.ufjf.br/eletrica_energia/arquivos/projeto-integrador-2/
P
ro
je
to
 d
e 
B
io
di
ge
st
o
r 
R
e
si
d
en
ci
al
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Elementos
Triturador
Alimentação do biodigestor
2323
Triturador
Especificações Triturador
Alimentação 127 ou 220V
Potência 0,55 HP
Capacidade de Trituração 980 mL
Controle de som Quiet Standard
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Elementos
Tanque do biodigestor
2424
Chave bóia
X
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Elementos
Tanque do Biodigestor
Especificações tanque do Biodigestor
Capacidade 310 l
2525
Capacidade 310 l
Adaptadores flanges 2
Tampa de 1/4 de volta Vedação total
X
Especificações chave bóia
Temperatura de operação 0 a 55 ºC
Rabicho 2 Metros Uky-2
Contato reversível
Isenta de Mercúrio
Chave bóia
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Elementos
Medidor de Pressão
Especificações Manômetro
2626
Dreno de água
Dreno de água
Junção T com uma garrafa com água
Pressão máxima 16 kPa
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Elementos
Purificador de Biogás
Especificações Purificador
Vazão <15 m³/dia
2727
Balão de Armazenamento
Especificações Balão de 
armazenamento
Volume 1 m³
Tamanho 1,5 x 2,2 mm
Espessur
a
06 mm
Material PVC
Vazão <15 m³/dia
Capacidade máxima 800 m³
Material Plástico
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Análise Técnico-Econômica
1. Estimativa da Quantidade de Resíduos
Vtotal = 310 l
2828
Vutil = π x r2 x h = π x 0,52 x 0,2 x 103 = 157,08 l
Vmorto = π x r2 x h = π x 0,52 x 0,1 x 103 = 78,54 l
Vgas = Vtotal - Vutil - Vmorto = 74,38 l
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Análise Técnico-Econômica
Residência com cinco pessoas
Material
m³ de biogás / 
kg de dejetos
Biogás mensal estimado (m³/mês)
Mínimo 60 kg Médio 90 kg Máximo 120 kg
2929
Mínimo 60 kg Médio 90 kg Máximo 120 kg
Dejetos
orgânicos
0,0756 4,535 6,803 9,070
Energia Produzida = Poder Calorífico Inferior (PCI) x 
Densidade x
Volume Estimado
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Análise Técnico-Econômica
Biogás Biogás 
Energia 
Equivalência 
Valor 
Densidade biogás = 1,2143 kg/m3
Botijão com 13 kg a aproximadamente R$ 50,00
3030
Cenários
Biogás 
estimado 
mensal (m³)
Biogás 
estimado 
anual (m³)
Energia 
anual (MJ)
Equivalência 
de Butj. GLP/ 
ano
Valor 
(R$)/ano
Mínimo 
60 kg
4,535 54,422 1619,067 2,587 129,33
Médio
90 kg
6,803 81,633 2428,600 3,880 193,99
Máximo 
120 kg
9,070 108,844 3238,133 5,173 258,66
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L
is
ta
 d
e
 M
a
te
ri
a
is
Produto Quantidade Preço Unitário Preço total
Triturador 1 350,00 350,00
Medidor de pressão 1 49,00 49,00
Purificador 1 41,00 41,00
Balão Armazenamento 1 768,00 768,00
Tanque 310 l 1 220,00 220,00
Adapt. Sold. c/ flange 50 mm 1 21,61 21,61
3131
L
is
ta
 d
e
 M
a
te
ri
a
is
Adapt. Sold. c/ flange 50 mm 1 21,61 21,61
Joelho de 50 mm Esgoto 1 2,99 2,99
T PVC 50 mm Esgoto 4 4,37 17,48
T PVC 3/4” 1 0,80 0,80
Registro De Esfera Soldável 50 
mm
4 21,80 87,20
Registro esf. 3/4" 1 16,40 16,40
Cano PVC 3/4" 1 17,95 17,95
Cano PVC 50 mm 1 65,24 65,24
Adesivo plástico p/ PVC 75 g 1 4,80 4,80
Veda Rosca 1 0,00 0,00
Abraçadeiras rosca sem fim 
1/2"
4 0,37 1,48
Leds 1 3,00 3,00
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Ano
Saída de Valor 
Monetário (A)
Entrada de Valor 
Monetário (B)
Fluxo de 
Caixa (A+B)
Fluxo de Caixa 
Descontado
Total Corrente
TIR (Cada 
Ano)
0 1.975,95 -1.975,95 -1.975,95 -1.975,95 -
1 20,00 193,99 173,99 158,18 -1.817,77 -
2 21,20 205,63 184,43 152,42 -1.665,35 -
3 22,47 217,97 195,50 146,88 -1.518,47 -
4 23,82 231,05 207,23 141,54 -1.376,93 -29,04%
5 25,25 244,91 219,66 136,39 -1.240,54 -19,01%
6 26,76 259,61 232,84 131,43 -1.109,10 -11,89%
7 28,37 275,18 246,81 126,65 -982,45 -6,69%
8 30,07 291,69 261,62 122,05 -860,40 -2,78%
9 31,88 309,20 277,32 117,61 -742,79 0,22%
10 33,79 327,75 293,96 113,33 -629,46 2,57%
3232
Resultados
Taxa Mínima de Atratividade de 10% a.a. e inflação de 6% a.a
10 33,79 327,75 293,96 113,33 -629,46 2,57%
11 35,82 347,41 311,60 109,21 -520,25 4,44%
12 37,97 368,26 330,29 105,24 -415,00 5,95%
13 40,24 390,35 350,11 101,41 -313,59 7,18%
14 42,66 413,77 371,11 97,73 -215,86 8,21%
15 45,22 438,60 393,38 94,17 -121,69 9,06%
16 47,93 464,92 416,98 90,75 -30,94 9,78%
17 50,81 492,81 442,00 87,45 56,50 10,38%
18 53,86 522,38 468,52 84,27 140,77 10,90%
19 57,09 553,72 496,64 81,20 221,98 11,35%
20 60,51 586,95 526,43 78,25 300,23 11,74%
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Fluxo de Caixa
3333
Payback descontado = 16 + 30,94 / 87,45 = 16,35 anos
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Fluxo de Caixa Detalhado até o Ano 4
Ano Saída Entrada
Fluxo 
de 
Caixa
Fluxo de 
CaixaDescontado
Total Corrente (VPL)
(Entrada – Saída)
3434
0 1975,00 0 -1975,95 -1975,95 -1975,95 = A
1 20,00.(1+6%)0 193,99.(1+6%)0 173,99 173,99/(1,1)1 B = A+173,99/(1,1)1
2 20,00.(1+6%)1 193,99.(1+6%)1 184,43 184,43/(1,1)2 C = B+184,43/(1,1)2
3 20,00.(1+6%)2 193,99.(1+6%)2 195,50 195,50/(1,1)3 D = C+195,50/(1,1)3
4 20,00.(1+6%)3 193,99.(1+6%)3 207,23 207,23/(1,1)4 E = D+207,23/(1,1)4
VPL(Ano 4) = -1376,93 TIR(Ano 4) = -29,04% = tir
   
   
1 2
4
3 4
1975 95 173 99 1 184 43 1
195 50 1 207 23 1 0
      
    
, , , ,
, ,
tirVPL tir tir
tir tir
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TIR no
3535
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M
ic
ro
a
lg
a
s 
sã
o 
o
 p
ró
xi
m
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 p
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3636N
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b
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