Estimativa da produção de biogas a partir de dejetos suinos: avaliação da eficiencia energética do metano e geração de créditos de carbono

Estimativa da produção de biogas a partir de dejetos suinos: avaliação da...

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MEDIANEIRA – PR 2011

Trabalho de Conclusão do Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Diplomação, do Curso Superior de Tecnologia em Gestão Ambiental, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.

Orientador: Prof. Dr. Laercio Mantovani Frare.

MEDIANEIRA – PR 2011

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM GESTÃO AMBIENTAL por

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado às 20h20min do dia 27 de Junho de 2011 como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo no Curso Superior de Tecnologia em Gestão Ambiental da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. As acadêmicas foram argüidas pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

Prof. Dr. Laercio Mantovani Frare Orientador

Prof. Dr. Eduardo Eyng Banca

Prof. Dr. Rafael Arioli Banca

Agradecemos primeiramente a nossos familiares que nos apoiaram nessa jornada.

mais esta conquista em nossas vidas

A Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, que proporcionou

Reverenciamos o Professor orientador Dr. Laercio Mantovani Frare, pelo comprometimento, dedicação e orientação desse trabalho.

Aos professores Eduardo Eyng e Rafael Arioli que fizeram parte da banca examinadora. Aos professores da Universidade, pelos quais temos grande estima e admiração, pela paciência e principalmente pelo conhecimento que nos transmitiram, colaborando desta forma para nossa formação acadêmica.

O Nosso reconhecimento e gratidão a Família Staub e Shuster, pela paciência, pela oportunidade e pelo espaço cedido ao nosso estudo.

A toda equipe da EMATER - Missal, pelas informações e instruções concedidas.

Em especial agradecemos à Pedro e Sandro Doloso, Devair e Devanir André

Fappi pelas sugestões dadas na elaboração do presente trabalho. E a todos que direta e indiretamente auxiliaram na construção desse projeto.

“Não é o desafio com o qual nos deparamos que determina quem somos ou o que estamos nos tornando, mas a maneira como respondemos ao desafio. Lutas para vencer, liberdade para provar. E, enquanto acreditamos no nosso sonho, nada é por acaso.” “Henfil”

KOTZ, A.; MATIELLO, S.;SCHMITZ, M. Estimativa da produção de biogás a partir de dejetos suínos: avaliação da eficiência energética do metano e a geração de créditos de carbono. 2011. 69 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Gestão Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR. Medianeira, 2011.

A suinocultura é uma das principais atividades desenvolvidas no oeste do Estado do Paraná, sendo considerada como uma fonte potencialmente poluidora devido aos riscos ambientais ocasionados pelos dejetos. A decomposição anaeróbia desses resíduos produz o biogás que é composto, principalmente, por gases como o dióxido de carbono e metano. Considerando os benefícios da geração do biogás devido ao elevado potencial energético do metano nele presente, este projeto teve por finalidade a realização de um estudo sistemático para avaliar a geração de energia e créditos de carbono em uma pequena propriedade rural. As metodologias utilizadas na realização deste trabalho incluíram a pesquisa bibliográfica, a medição da vazão do biogás por meio de um bolhômetro, a análise da composição do biogás e o uso de modelos matemáticos de estimativas. Os resultados obtidos demonstraram que, para a propriedade rural estudada, o uso de biogás para a produção de energia elétrica é inviável devido aos altos custos de implantação e operação do sistema. Da mesma forma, a quantidade de créditos carbono mostrou-se insuficiente para ser atrativa economicamente. Entretanto, não se deve menosprezar as vantagens do processo de tratamento de dejetos para o meio ambiente.

Palavras-chave: Suinocultura, Biogás, Metano, Créditos de carbono, Modelos matemáticos.

KOTZ, A.; MATIELLO, S.;SCHMITZ, M. Estimation of biogas production from swine manure: an evaluation of the efficiency of methane generation and carbon credits. 2011. 69 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Gestão Ambiental) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR. Medianeira, 2011.

The swine production is one of the main activities developed in the West of Paraná was considered as a potentially polluting due to environmental hazards caused by manure. The decomposition of waste produces biogas which is composed mainly of gases like carbon dioxide and methane. Considering the benefits of the biogas generation due to high energy potential of methane present in it, this project was the purpose of to carry out a systematic studies to evaluate the power generation and carbon credits in a small rural property. The methodologies used in this study included literature review, measuring the flow of biogas through a gas meter, analyzing the composition of biogas and the use of mathematical models of estimates. The results showed that to the farm studied, the use of biogas for electricity production is not viable due to the high costs of implementation and operation of the system. The same way, the amount of carbon credits was insufficient to be economically attractive. But, one should not underestimate the benefits of the treatment process of waste to the environment.

Keywords: Swine production, biogas, methane, carbon credit, mathematical models.

FIGURA 1- INTERAÇÃO ENTRE OS DEJETOS DE ANIMAIS E AS

DOENÇAS INFECCIOSAS NOS HOMENS E ANIMAIS20
ATMOSFERA DE 1750 A 199823
FIGURA 3 - FONTES DE EMISSÕES MUNDIAIS DE METANO23

FIGURA 2 - AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DE METANO (CH4) NA

ETAPAS DA DIGESTÃO ANAERÓBIA26
MUNICÍPIOS DA REGIÃO SUL DO PAÍS28

FIGURA 4 - FIGURA 5 - ESTIMATIVA DO POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DO BIOGÁS PROVENIENTE DE SUÍNOS NOS FIGURA 6 - ETAPAS DO CICLO DE APROVAÇÃO DO PROJETO DE MDL. 34

FIGURA 7 - IMAGEM DE SATÉLITE DO LOCAL DE ESTUDO37
MEDIDOR38
BIOGÁS39
FIGURA 10 - COLETA DA AMOSTRA DE BIOGÁS41
COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS42
FIGURA 12 - ESTERQUEIRA A CÉU ABERTO49
FIGURA 13 - METODOLOGIA UTILIZADA NA COLAGEM DO VENTIL50
FIGURA 14 - ESTERQUEIRA DEPOIS DE COBERTA51
PRODUZIDO52

FIGURA 8 - ILUSTRAÇÃO DO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO FIGURA 9 - MEDIDOR CONSTRUÍDO PARA DETERMINAR A VAZÃO DE FIGURA 1 - COMPONENTES DO KIT PARA DETERMINAÇÃO DA FIGURA 15 - BIODIGESTOR UTILIZADO PARA A REALIZAÇÃO DA DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO E DO BIOGÁS

EXPERIMENTALMENTE COM MODELOS TEÓRICOS56

FIGURA 16 - COMPARAÇÃO DA VAZÃO DE BIOGÁS OBTIDA FIGURA 17- CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA PRODUZIDA, POR KWH,

EM FUNÇÃO DO TEMPO DE AMORTIZAÇÃO58

FIGURA 18- CUSTO DO BIOGÁS EM FUNÇÃO DO TEMPO DE

AMORTIZAÇÃO59

FIGURA 19- TEMPO DE RETORNO DO INVESTIMENTO EM FUNÇÃO DO

TABELA 1- VAZÃO DE BIOGÁS PRODUZIDO NO BIODIGESTOR52
CROMATOGRAFIA54
BIOGÁS54
TABELA 4- CÁLCULO DO VALOR DE SÓLIDOS VOLÁTEIS5
MODELO IPCC56
BIOGÁS57

TABELA 2- COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS ANALISADO POR TABELA 3- COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS ANALISADO COM O USO DO KIT TABELA 5- ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO ANUAL DE BIOGÁS PELO TABELA 6- DEFINIÇÃO DAS VARIÁVEIS UTILIZADAS NO CÁLCULO DOS CUSTOS DA ENERGIA ELÉTRICA GERADA POR TABELA 7- DEFINIÇÃO DA VARIÁVEIS UTILIZADAS NA ESTIMATIVA DE CRÉDITOS DE CARBONO.............................................................. 60 atm. Pressão Atmosférica BM&F Bolsa de Mercadoria & Futuros CIMGC Comissão Interministerial de Mudança Global do Clima CMMAD Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e o Desenvolvimento MDIC Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente CQNUMC Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima IAP Instituto Ambiental do Paraná SEMA Secretária do Meio Ambiente DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio DCP Documento de Concepção de Projeto DQO Demanda Química de Oxigênio EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa e Agropecuária EOD Entidade Operacional Designada GEE’s Gases de Efeito Estufa. IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo PEAD Polietileno de Alta Densidade. pH potencial Hidrogeônico RCEs Reduções certificadas de emissões EMATER Instituto Paranaense de Assistência Técnica e Extensão Rural

1. INTRODUÇÃO14
2. OBJETIVOS16
2.1 OBJETIVO GERAL16
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS16
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA17
3.1. CARACTERIZAÇÃO DA SUINOCULTURA BRASILEIRA17
3.2. DEJETOS SUÍNOS E IMPACTOS AMBIENTAIS19
3.3. EMISSÕES DE METANO2
3.4. O BIOGÁS24
3.4.1. Utilizações do Biogás27
3.6. CRÉDITOS DE CARBONO E PROJETOS MDL32
4. METODOLOGIA37
4.1. LOCAL DE ESTUDO37
4.2. MEDIÇÃO DA VAZÃO DE BIOGÁS PRODUZIDO37
4.2.1. Construção e Operação do Medidor de Biogás37
4.2.2. Cálculo da Vazão de Biogás40
4.3.1. Coleta da Amostra de Biogás para Análise41
4.3.2. Determinação da Composição do Biogás por Kit Analisador41
4.3.3 Determinação da Composição do Biogás por Cromatografia Gasosa42
4.4. ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO TEÓRICA DE BIOGÁS43
4.4.1. Modelo CENBIO43
4.4.2. Modelo IPCC43
4.5. ESTIMATIVA DOS CUSTOS DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA47
4.6. ESTIMATIVA DA GERAÇÃO DE CRÉDITOS CARBONO47
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO49
5.1. SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE BIOGÁS DE BIODIGESTORES49
5.1.1. Medição da Produção de Biogás em Tanque Aberto49
5.1.2. Medição da Produção de Biogás em Biodigestores51
5.2. RESULTADO DA MEDIÇÃO DA VAZÃO DE BIOGÁS52
5.3. COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS OBTIDA POR ANÁLISE53
5.4.1. Resultados da Produção pelo Modelo CENBIO5
5.4.2. Resultados da Produção de biogás pelo Modelo IPCC5
5.5. AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO ESTIMADA E REAL DE BIOGÁS56
GERAÇÃO57
5.7. RESULTADOS DAS ESTIMATIVAS DE CRÉDITOS CARBONO60
6. CONCLUSÃO62
7. REFERÊNCIAS64

SUMÁRIO 5.6. RESULTADOS DAS ESTIMATIVAS DE PRODUÇÃO DE ENERGIA POR CO- 8. ANEXOS ............................................................................................................... 69

14 1. INTRODUÇÃO

2006)

O meio ambiente tornou-se um assunto polêmico atualmente devido à exploração excessiva de recursos naturais não renováveis. É cada vez mais comum a busca por alternativas que conciliem o desenvolvimento econômico e redução dos impactos ambientais. Alguns fenômenos acontecem naturalmente, como é o caso do efeito estufa. Os gases permitem que a atmosfera funcione como uma estufa natural, deixando a radiação proveniente do sol entrar e manter a temperatura do planeta (PECORA, 2006). No entanto, atividades humanas têm provocado um aumento desordenado na concentração atmosférica desses gases, ocasionando mudanças climáticas (CENAMO, 2005). A economia brasileira tem forte dependência de recursos naturais não-renováveis, ou seja, é potencialmente vulnerável a mudanças climáticas. A atual matriz energética do Brasil afeta negativamente o cenário crítico do aquecimento global, tendo em vista que a queima de petróleo e seus derivados emitem grandes quantidades de poluentes para atmosfera (ICLEI, 2009). Neste contexto, a produção de energia de maneira renovável é uma medida interessante sob o ponto de vista ambiental no que se refere à poluição global, uma vez que permite a obtenção de energia sem recorrer à queima de combustíveis fósseis e a conseqüente emissão de resíduos poluentes na atmosfera (PECORA,

Entre as fontes de energia renovável tem-se o biogás, que é produzido em função do tratamento dos dejetos produzidos na suinocultura. O metano proveniente da decomposição anaeróbia é 21 vezes mais poluidor que o dióxido de carbono (AMARAL, 2004). Sendo assim é necessário encontrar uma forma de evitar o lançamento do biogás diretamente na atmosfera. Uma das formas propostas atualmente é utilizá-lo em cogeradores para produção de energia elétrica. As vantagens da utilização do biogás quando convertido em energia elétrica estão relacionadas às emissões evitadas, utilizando uma fonte renovável e a eficiência dos sistemas de conversão (PECORA, 2006). A utilização do biogás como fonte de energia fomenta a redução das emissões do metano, o que contribui no aspecto ambiental, econômico e social, pois, pode-se reduzir os custos na propriedade. Uma alternativa é utilizá-lo como insumo juntamente com o biofertilizante gerado e ainda o aproveitamento desse recurso para a comercialização de créditos de carbono. O

Protocolo de Kyoto, elaborado para estabelecer metas de redução de gases de efeito estufa, possibilitou a inserção da suinocultura no cenário de Mecanismos de Desenvolvimento Limpo (MDL), pois pode ser enquadrada em um projeto de redução de emissões gasosas nocivas ao meio ambiente (BARANCELLI, 2007). Dessa forma, é imprescindível o desenvolvimento de projetos que evitem as emissões de metano para a atmosfera para mitigar as mudanças do clima (ICLEI, 2009).

Dentro deste contexto, o objetivo desse trabalho é estudar o potencial energético do biogás, propondo alternativas mais sustentáveis para a qualidade ambiental de uma pequena propriedade rural localizada na microbacia do Rio São João, no município de Missal - Paraná.

16 2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Estimar a produção de biogás em uma propriedade rural localizada na microbacia do Rio São João, no Município de Missal, Estado do Paraná e avaliar sua eficiência para geração de energia de acordo com a emissão de gases.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Conferir os impactos da suinocultura para o meio ambiente; Medir a produção de biogás em uma propriedade suinícola.

Estimar através da adaptação de um modelo matemático, a produção de metano, a partir de dejetos suínos na propriedade rural da microbacia;

Analisar o potencial energético do biogás; Avaliar o potencial de redução da emissão de gases produzidos pelos dejetos; Estimar o rendimento da venda de créditos de carbono.

17 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1. CARACTERIZAÇÃO DA SUINOCULTURA BRASILEIRA

A partir dos anos 70 a suinocultura brasileira deixou de ser uma atividade de fundo de quintal e transformou-se numa moderna cadeia produtiva. A primeira transformação foi o resultado da consolidação do sistema de produção em regime de integração que se instalou, primordialmente no sul do país, e daí se estendeu para outras áreas, grandes produtoras de cereais, como o centro-oeste brasileiro (SINOTTI, 2005).

A suinocultura é uma das atividades agropecuárias mais antigas do mundo.

Ela está presente na maioria das propriedades rurais brasileiras e emprega basicamente mão-de-obra familiar e promove a geração de uma fonte de renda, garantindo qualidade de vida e reduzindo o êxodo rural. Nos primórdios a suinocultura era realizada apenas para manutenção alimentar, com os avanços tecnológicos (melhoramento genético e nutrição) passou a ser produzidas em diversas áreas para comercialização (GARCIA, 2004).

O desenvolvimento dessa atividade constitui-se de um fator imprescindível para o desenvolvimento econômico nacional. Além de envolver um grande número de produtores e gerar muitos empregos diretos e indiretos, tem capacidade de produzir grande quantidade de proteína de alta qualidade em reduzido espaço físico e curto espaço de tempo (OLIVEIRA, 1993).

No Brasil o comércio internacional de carne suína ocupa a quarta posição com 3% da produção e 1% das exportações. Movimentando 5,4 milhões de toneladas e gera uma receita anual aproximada de U$$ 1,9 bilhões (ABIPECS, 2009).

A população suína no globo terrestre é de, aproximadamente, um bilhão de cabeças. O Brasil possui condições para aumentar o plantel de suínos, com o clima tropical, mão-de-obra de baixo custo, facilidade para manejo e tratamento de dejetos, pelas grandes dimensões territoriais e topografia. Desta forma a tendência hoje é de se instalar suinoculturas industriais na região Centro-Oeste (AIPECS, 2009). Os principais estados produtores de suínos no Brasil são Rio Grande do Sul,

Santa Catarina e Paraná (MARQUEZ, et al, 2009). O Paraná possui rebanho estimado em 3,9 milhões de cabeças e o Município de Missal apresentava-se em 2006 com um rebanho de 23.330 suínos (IPARDES, 2009).

A produtividade é em nosso país bastante variável, dependendo da região e do tipo de produção. Praticada com maior intensidade nos estados da Região Sul com 49,7%, onde predominam relevos acidentados que desfavorecem o plantio de culturas que poderiam absorver os dejetos produzidos pela atividade. Esta característica topográfica favorece o aporte dos resíduos nos corpos d’ água superficiais através da erosão e lixiviação do solo (HIGARASHI et al, 2004). Há indicações de que as normas ambientais para o tratamento dos dejetos suínos no Brasil tendem a ser menos restritivas que em outros países e a preocupação ambiental no processo produtivo, como estratégia de comércio, ainda é pouco valorizada (LOBO; PEREIRA, 2009).

A legislação ambiental para a suinocultura no Paraná é determinada pela

Resolução IAP/SEMA nº. 031/1998. Segundo o sistema e o porte da atividade suinícola, podem ser exigidas licenças prévias, de instalação e de operação. De acordo com a Resolução citada, a complexidade das exigências aumenta com o porte da criação. Isso envolve desde o volume de dejetos produzidos pela atividade, tamanho e adequação das instalações, a distância das instalações e do sistema de armazenamento em relação às nascentes de água, divisas da propriedade, estradas externas à propriedade, localização de rios ou drenagem natural mais próxima, número de instalações e características das instalações (BRASIL, 1998).

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