Viabilidade da Geração de Energia a Partir de Matéria Orgânica

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ESTUDO DA VIABILIDADE DO USO DE MATÉRIA ORGÂNICA COM FIM DE PROMOVER A GERAÇÃO SUSTENTÁVEL DE ENERGIA ELÉTRICA NA CIDADE DE PENÁPOLIS
 Paula Saori Mendonça Moritugui¹ 
 Wesley Pontes² 
João Luiz Bergamo Zamperin³
 
 RESUMO
Sabendo da atual importância referente a utilização da energia elétrica para a humanidade, é necessário buscar novos padrões de produção energética provenientes de fontes renováveis, logo que, os recursos ambientais disponíveis a humanidade, são por hora limitados. Dado o exposto, se tem a biomassa a proveniente de dejetos, onde em sua geração além de haver a possibilidade de se produzir fertilizantes agrícolas e combustíveis para veículos a gás, a biomassa procedente de matéria orgânica também contribui para a diversificação da matriz energética e a redução substancial da poluição em aterros sanitários. O objeto de estudo foi a cidade de Penápolis e as propriedades rurais de seus arredores.
Palavras – Chaves: Renovável; Biodigestores; Biogás; Energia. 
 ABSTRACT 
Knowing the current importance regarding the use of electricity for humanity, it is necessary to seek new patterns of energy production from renewable sources, since the available environmental resources for humanity are limited for the time being. Given the above, there is biomass from waste, where in its generation, besides the possibility of producing agricultural fertilizers and fuel for gas vehicles, biomass from organic matter also contributes to the diversification of the energy matrix and substantial reduction of pollution in landfills. The object of study was the city of Penápolis and the surrounding rural properties.
Key-words: Renewable; Biodigesters; Biogas; Energy.
Introdução 
 
Sabe-se que a energia elétrica se tornou para a humanidade algo imprescindível e devido às constantes evoluções tecnológicas, a demanda por eletricidade está sendo cada vez mais solicitada. No Brasil, as principais fontes de geração de energia elétrica, são baseadas em fontes fósseis, que além de não serem fontes de recursos renováveis, causam grandes danos ao meio ambiente devido a liberação de gases na atmosfera.
 No entanto há também a energia hidráulica que, todavia, é um recurso renovável, porém para que haja produção de energia elétrica procedente das águas há a necessidade da construção de represas (ANDRADE, 2017). 
Segundo Andrade (2017) construções prejudicam o meio ambiente ocasionando o alagamento das matas, suscitando a degradação da fauna e flora, alterando o ciclo natural do fluxo da água e promovendo a intervenção da habitação humana. Na figura 1 a seguir pode-se observar a usina hidrelétrica Itaipu Binacional, atualmente uma das maiores hidrelétricas do mundo, localizada entre os países Brasil e Paraguai.
Figura 1: Usina hidrelétrica Itaipu Binacional
Fonte: ITAIPU BINACIONAL, 2017.
Portanto, principalmente por essas razões, e pela sua abundante viabilidade de produção energética de forma a não lesionar o meio ambiente esse estudo se baseia em ressaltar, que a biomassa da matéria orgânica precede de ser uma das fontes renováveis de maior potencial existentes. 
No processo de transformação da matéria orgânica para energia, a princípio ocorrerá o processo de biodigestão que se dá por incentivo da digestão anaeróbia da biomassa dos dejetos. Posteriormente, o biogás obtido é combusto se tornando energia mecânica e através de um motor-gerador convertido em energia elétrica (CORSINI, 2013). 
De acordo com Corsini (2013) além da energia citada precedente do biogás, esse biogás gerado pode ser prontamente usufruído como gás combustível. Na figura 2 há a ilustração do princípio de funcionamento de uma usina geradora de eletricidade através da biomassa.
Figura 2: Principio de funcionamento de um biodigestor com geração de energia elétrica a partir do gás metano
Fonte: USP, 2018.
Dentre as possibilidades de matéria orgânica, engloba-se dejetos como, resíduos de esgoto, matéria orgânica de ordem agrícola, dejetos doméstico, lixos industriais e vegetais aquáticos. A composição do biogás gerado depende diretamente de sua composição, mas genericamente o gás metano prevalece em relação aos outros gases que o acompanham neste processo (PECORA, 2006).
2. Objetivos 
Objetivo deste artigo visa destacar a relevância das fontes renováveis de geração de energia elétrica e abordar mais precisamente, a biomassa proveniente de dejetos. Isto devido, aos resíduos sólidos deste tipo de biomassa serem reutilizados, ao invés de depositados em aterros sanitários de forma a evitar a poluição e o acúmulo da matéria orgânica. O viés de estudo para a viabilidade é a cidade de Penápolis, devido ao seu grande número de propriedades rurais que estão em seus arredores.
3. Materiais e Métodos
Os materiais e métodos utilizados para o estudo passam pelos processos destacados a seguir.
3.1 Processo Químico
As etapas necessárias para a conversão da matéria orgânica em energia, seja na forma de gás e posteriormente em energia elétrica passam pelas seguintes quatro etapas:
3.1.1 Hidrólise
Segundo Machado (2013) a hidrolise é a primeira etapa do processo da digestão anaeróbia, ela ocorre após a queda do oxigênio dentro do biodigestor. As bactérias anaeróbias resultantes dessa atenuação no oxigênio transformam os polímeros, que são as ligações moleculares mais complexas em um tipo de substâncias mais simples, ou seja, os oligômeros e os monômeros.
O nome hidrólise é devido ao fato de que as bactérias responsáveis pela quebra das moléculas mais complexas em substancias mais simples, atuam somente na presença da água. Fatores como o tipo de matéria orgânica, tempo, temperatura, pH e a parcela de nitrogênio que contém os dejetos utilizados afetam diretamente no resultado deste processo (PECORA, 2006). 
3.1.2 Acidogênese 
A segunda etapa do processo anaeróbio é denominada acidogênese, nela as moléculas resultantes da hidrolise são transmutadas por bactérias fermentativas em H2, CO2, sais e álcoois. A porção de hidrogênio presente no composto interfere diretamente no resultado final. Caso a concentração de hidrogênio seja muito elevada, a eficiência da acidogênese diminui, podendo comprometer o resultado final produzido por esta etapa (MACHADO, 2013).
3.1.3 Acetogênese
De acordo com Machado (2013) o produto gerado na acidogenese é transformado pelas bactérias acetogênicas em ácido etanoico, hidrogênio e gás carbônico. Nesta etapa a porção produzida de hidrogênio deve ser a mesma consumida pelas bactérias archeas, essas bactérias são responsáveis pela metanogênese e essa relação na produção e consumo de hidrogênio é necessária para que haja um equilíbrio final. 
3.1.4 Metanogênese
A quarta e última etapa metabólica é denominada metanogênese, onde o metano é gerado a partir da atenuação do ácido acético por meio do trabalho das bactérias acetotróficas ou também pela atenuação do dióxido de carbono através do trabalho das bactérias hidrogenotróficas (MACHADO, 2013). Na figura o fluxograma ilustra cada uma das etapas da digestão anaeróbia. 
Figura 3: Fases da biodigestão anaeróbia
Fonte: Portal do biogás, 2013.
3.2 Tipos de Biodigestores
Atualmente existem diversos tipos de biodigestores, no entanto os mais comuns historicamente são: Biodigestor com sistema Indiano; Biodigestor com sistema Chinês; Biodigestores com sistema Canadense ou da Marinha. 
Embora do ponto de vista construtivo haja algumas diferenças os materiais para a construção de ambos, são basicamente os mesmos: Tijolo; Pedra; Concreto; Areia; Cimento e Ferro.
3.2.1 Sistema Indiano 
Este modelo de biodigestor possui uma campânula que se porta como um reservatório com o objetivo de armazenar o gás e distribui- ló sob pressão constante. Esta campânula podeestar mergulhada sobre um selo de água externo ou sobre um compartimento separado por uma parede, resultando – nas em duas câmaras que contém o substrato (DEGANUTTI et al., 2002). 
De acordo com Pecora (2006) tal posição em que esta campânula se encontra, afeta diretamente a geração final do biogás, fazendo com que haja uma diminuição de danos durante o procedimento em geral. 
O material orgânico empregado por esse biodigestor deverá ser disponibilizado em alta proporção para que haja conformidade em seu fornecimento. Sua construção é simples, porém se estabelece caro caso o material do reservatório de gás seja o metal (PECORA, 2006). A figura 4 é a representação da vista frontal de um biodigestor modelo indiano.
Figura 4. Vista frontal em corte, do biodigestor modelo Indiano.
 Fonte: DONGALA, 2010.
De acordo com Pecora (2006) o biodigestor de modelo Indiano contém um compartimento fechado de digestão e outro compartimento arsenal portátil de gás. Na figura 5 há a ilustração da vista em 3D de um biodigestor modelo Indiano.
Figura 5: Vista tridimensional do biodigestor modelo Indiano.
Fonte: DONGALA, 2010.
3.2.2 Sistema Chinês
Segundo Dongala (2010) ao contrário do biodigestor de modelo Indiano a pressão presente no modelo Chinês se porta de maneira uniforme, logo quando houver elevações da pressão interna, causado pelo excesso de biogás, haverá também uma locomoção do substrato do compartimento de fermentação para a caixa de saída e a locomoção para a caixa de entrada para uma descompressão. 
Segundo Pecora (2006) devido a alvenaria ser o principal material utilizado para a sua construção, seu custo final será menor em relação ao biodigestor modelo Indiano, isso devido a diferença dos materiais base. Porém é de extrema importância a cautela referente a impenetrabilidade da estrutura, dado que, há uma tendência do mesmo a vazamentos.
A quantidade de materiais orgânicos assim como o modelo Indiano deverá ser menor que 8%, dado que se a quantidade dos dejetos seja superior a isso, poderá haver a dificuldade na passagem dos resíduos pelos canos de entrada e de saída do biodigestor ou até mesmo o abarrotamento do mesmo (DEGANUTTI et al., 2002). A figura 6 demonstra a vista frontal de um biodigestor modelo Chinês. 
Figura 6. Vista frontal, em corte, do biodigestor modelo Chinês. 
Fonte: DONGALA, 2010.
Para que haja certa diminuição da pressão interna é necessário que haja o vazamento de uma parcela do gás, portanto é recomendado que a produção dos biodigestores desse modelo seja em pequenas dimensões (DEGANUTTI et al., 2002). Na figura 7 encontra-se a vista tridimensional de um biodigestor modelo Chinês. 
Figura 7. Vista tridimensional do biodigestor modelo Chinês.
Fonte: DONGALA, 2010.
3.2.3 Biodigestores Canadense ou da Marinha
Segundo Andrade (2018) o biodigestor de fluxo tubular tem sua forma retangular e como sua largura possui maior profundidade sua exposição ao sol é maior, portanto, sua produção de biogás também é mais elevada. Na figura 8 há a demonstração do diagrama simplificado de um biodigestor do tipo canadense.
Figura 8: Biodigestor do tipo Canadense ou da Marinha
Fonte: NOGUEIRA et al 
Devido a essa característica é mais comum a aplicação deste modelo em regiões mais quentes. A cidade do atual estudo, Penápolis possui temperaturas relativamente altas, essa propriedade propiciou ao modelo Canadense uma certa vantagem em seu emprego neste estudo. 
De acordo com Andrade (2008) sua cúpula é de plástico maleável, categoria PVC, que incha com a produção de gás como um balão, essa cúpula pode ser retirada o que facilita sua limpeza. Esse modelo com cobertura em lona de PVC, em substituição às campânulas (metálica ou fibra de vidro) tem possibilidade de ser construído enterrado ou não. 
A produção de biogás deste modelo depende diretamente da inserção de dejetos, se essa produção for constante a geração de biogás também será. Seu custo é baixo e sua instalação é mais simples em relação aos modelos antigos. Seu emprego pode ser tanto em propriedades pequenas como em maiores (JÚNIOR, 2013). Na figura 9 há um biodigestor do tipo Canadense ou da Marinha instalado em uma propriedade rural. 
Figura 9: Biodigestor do tipo Canadense ou da Marinha em aplicação real.
Fonte: NOGUEIRA et al.
	
4. Viabilidade de produção
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (2017) a cidade de Penápolis localizada no estado de São Paulo possui uma área de 48.756, 972 hectares em estabelecimentos agropecuários, onde, estes estabelecimentos possuem em sua totalidade cerca de 25.644 cabeças bovinas, 1.995 cabeças suínas e 3.550 cabeças de aves. 
Para Matos (2005), uma vaca com peso médio de 400 Kg produz de 38 a 50 Kg de excretas. Já a média suína diária da produção de esterco em todas as fases produtivas é de 2,35 kg/dia (OLIVEIRA, 1993 apud OLIVEIRA, 2003). Por fim, 100.000 galinhas produzem aproximadamente 12 toneladas de esterco por dia, resultando em uma média diária de 0,11kg por ave (MORENG & EVANS, 1990 apud AUGUSTO, 2007).
De acordo com Barros estima-se que a produção de biogás por aves seja de 0,014 (m³/cabeça/dia), por suínos – 0,240 (m³/cabeça/dia) e por bovinos – 0,360 (m³/cabeça/dia) e  cada 1 m³ de biogás corresponde a 0,66 litros de diesel ou 0,7 litros de gasolina, contendo um poder calorífico entre 5.000 a 7.000 kcal/m³ de gás. 
Por fim, segundo Santos et al o resto da matéria orgânica inserto no biodigestor após sofrer o processo de conversão para biogás, cerca de 80% a 90% dela é transformada em biofertilizante. 
Portanto, a produção de biogás, gasolina, diesel, biofertilizante e energia elétrica procedente dos animais (bovinos, suínos e aves) localizados nos estabelecimentos agropecuários da cidade de Penápolis é ilustrado pela figura 10:
Figura 10: Produção de biogás, diesel, gasolina, biofertilizante e energia elétrica proveniente dos animais das áreas agropecuárias da cidade de Penápolis. 
Fonte: Elaborada pelos autores.
Onde as colunas respectivamente significam: 
A – Tipos de animais;
B - Quantidade de animais de A por cabeça da cidade de Penápolis;
C - Dejetos produzidos por tipo de animal no dia em Kg (Unitário, ou seja, dejeto que cada tipo de animal produz individualmente);
D - Total de dejetos produzidos por tipo de animal no dia em Kg (Multiplicação pela quantidade total de cada tipo de animal);
E - Fator de Conversão de biogás por tipo de animal;
F – Total de biogás gerado no dia por tipo de animal em m3/dia (Multiplicação do fator de conversão do biogás pela quantidade total de dejetos por tipo de animal); 
G- Quantidade de biogás gerado no mês por tipo de animal em m3/mês (Multiplicação do total de biogás gerado no dia por 30); 
H – Equivalência do biogás produzido no mês em gasolina em litros (Multiplicação por 0,7 devido a relação de a cada 1 m³ de biogás corresponder a 0,7 litros de gasolina);
I– Equivalência do biogás produzido no mês em diesel em litros ((Multiplicação por 0,66 devido a relação de a cada 1 m³ de biogás corresponder a 0,66 litros de gasolina);
J – Equivalência do biogás produzido no mês em biofertilizante em toneladas (Multiplicação por 0.8, dado que 80% a 90% da matéria orgânica inserida no biodigestor se torna biofertilizante);
 K– Equivalência do biogás produzido energia elétrica em kWh;
 L – Rendimento que efetivamente vira energia elétrica (25%).
Portanto, pode-se verificar assim sobre a viabilidade de produção de um sistema de biodigestão integrado para a cidade de Penápolis, sendo assim, o mesmo pode ser expandido para as demais cidades nos arredores e montar, desta maneira, produzir valores viáveis para a implantação de uma usina geradora de energia.
5. Resultados e Discussões
Os benefícios do uso de biodigestores são, custo de implementação baixo, recurso originado de fontes renováveis, pouca dependência energética com a distribuidora de energia elétrica, sistema com baixacomplexidade em sua manutenção e operação, custos operacionais razoáveis, baixa exigências de área, elevada vida útil e transtorno nulos para com os indivíduos que estão localizados próximo ao sistema (VON SPERLING, 1995 apud PECORA, 2006). 
 A figura 11 a seguir trata-se do biodigestor utilizado pela cidade de Hamburg. Tal cidade está localizada na nação Alemã e desempenha o processamento de efluentes (MACHADO, 2013). 
Figura 11: Biodigestor da cidade de Hamburg na Alemanha.
Fonte: Portal resíduos sólidos, 2013.
Além do mais o sistema possibilita a reintegração de derivados do processo. Derivados como o biofertilizante e o biogás que pode ser utilizado como combustível para os veículos a gás. No entanto, como possível contra, existe o risco de acidentes ligados com a maneira em que se instala o biodigestor, e em que se armazena e utiliza o biogás (VON SPERLING, 1995 apud PECORA, 2006). 
6. Conclusão
Devido à crescente demanda por energia elétrica e as fontes de produção energéticas atualmente mais utilizadas, como, fontes procedentes de combustíveis fósseis e fontes hidráulicas, serem por hora abundantes, esses recursos quando esgotarem-se não será possível para a humanidade reprisa-los. 
 Portanto, sobressai a necessidade da diversificação das fontes energéticas, afim de que sejam sustentáveis para a melhor conservação da matriz energética. Este artigo propõe e conclui que, quando utilizada a energia proveniente da biomassa da matéria orgânica a mesma ameniza questões de demanda energética e de cunho ambiental, onde a mesma é absolutamente sustentável.
 A variedade de possibilidades de matéria prima para a biodigestão ameniza substancialmente problemas ligados a poluição, já que, tal, inclui o uso de dejetos como, resíduos de esgoto, matéria orgânica de ordem agrícola, dejetos domésticos, lixos industriais e vegetais aquáticos. 
Além do mais há também a possibilidade de reintegração de derivados do processo, como biofertilizante para culturas agrícolas, e o biogás para o uso doméstico (cozinha) e para veículos movidos a gás.
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1 Graduando em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário Toledo (2019)
2 Doutor em Engenharia Elétrica pela UNESP
³ Doutor em Engenharia Elétrica pela UNESP