Geração de energia elétrica a partir da vinhaça: um estudo de caso

Palavras-chave: Processo anaeróbio, Energia; Geração de eletricidade; Vinhaça. Abstract The search for new renewable sources of energy has been growing in recent decades, and the reuse of materials that have been discarded until now has shown promise. Vinasse is a byproduct of the manufacture of ethanol and is highly harmful to the environment if it is discarded incorrectly, so its reuse has been the subject of study by several researchers. In this work a biodigestor with a capacity of 150 liters of vinasse was made, and after 60 days of bacterial activity the internal pressure of the system increased to 0. kg / cm2 and the temperature to 38 ° C, feeding a generator for three minutes and thirty seconds. A geração de energia elétrica através da queima de biogás é uma prática já estabelecida no país, como as usinas existentes em alguns aterros sanitários.

Além disso, é uma área com projetos e estudos em várias instituições de pesquisa e em empresas que investem em cogeração, que buscam aproveitar o biogás gerado através de fontes distintas, sendo a decomposição da vinhaça uma delas (5,6,7). Este trabalho se justifica em razão do cenário atual favorável para o desenvolvimento de novas formas de fabricação de combustíveis e geração de energia, observando-se o alto potencial existente em usinas de bioenergia, visto que um grande problema para as indústrias produtoras de etanol é a vinhaça e este incômodo resíduo pode ser utilizado para gerar eletricidade, podendo ser obtida através de vários processos. Outro fator para a escolha do tema foi o grande aumento da demanda energética nacional, fazendo-se necessário o acréscimo de potência ao sistema de geração, transmissão e distribuição de energia.

O objetivo do trabalho é fazer um levantamento bibliográfico a respeito da geração de energia através da queima do biogás, como esse gás é gerado a partir da decomposição da vinhaça e verificar técnicas que potencializam esse sistema de geração. Fonte: Brasil - 2017 Vinhaça A vinhaça, conhecida também por vinhoto, tiborna, calda ou restilo, é um dos principais subprodutos da fermentação do melaço e do caldo da cana de açúcar (11,12,13,14). A vinhaça é uma suspensão aquosa de cor marrom escuro cujas principais características são a elevada quantidade gerada durante o processamento da cana de açúcar (10,15) e elevada capacidade poluidora disposta no solo sem o devido tratamento (10,14). O volume de vinhaça gerado em uma usina sucroalcooleira vai depender do tipo de processo usado para a geração do etanol, variando, em média, de 10 a 15 litros por litro de álcool produzido (9).

Em relação à capacidade poluidora, a vinhaça pode causar impactos negativos ao solo e às plantas em razão de sua composição química, sendo um efluente com capacidade poluente cem vezes maiores do que a do esgoto doméstico em razão dos altos valores de matéria orgânica, acidez e alta demanda bioquímica de oxigênio (DBO) (10). A composição química da vinhaça varia de acordo com a espécie de cana utilizada, características do solo, período de safra, tipo do sistema de fermentação, aplicação de aditivos fermentativos e a qualidade da água empregada no processo. DQO (ml/L O2) 65. pH 4,2 - 5,0 3,7 - 4,6 4,4 - 4,6 Temperatura (ºC) 80 - 100 80 - 100 80 - 100 Tabela 1 - Características físico-químicas da vinhaça.

Fonte: Solomon - 2007; Gustavo - 2014 A vinhaça vem sendo aproveitada para a fertilização da própria lavoura que a originou, porém se não houver uma análise criteriosa do solo e um controle adequado irrigação, esta prática pode causar diversos problemas na lavoura e a outros produtores que estão próximos, porque seu uso inadequado pode promover um ambiente propício para a proliferação de vetores de doenças humanas e para o gado, podendo ainda gerar maus odores (12). O uso da vinhaça como fertilizante acarreta diversos efeitos no solo, dentre a elevação do pH, o aumento da disponibilidade de alguns íons no solo, o aumento da capacidade de troca catiônica, o aumento da capacidade de retenção de água e o aumento da população e atividade microbiana ao solo (17).

Sem o controle apropriado, a utilização da vinhaça como fertilizante pode causar diversos impactos ambientais negativos como a contaminação do lençol freático, solubilização de metais e sulfato, salinização do solo e a emissão de gases que causam o efeito estufa, como o oxido nitroso, que se trata de um gás 300 vezes mais potente que o dióxido de carbono (13). O biogás é composto de 50 a 90% de metano, de 10 a 50% de gás carbônico e por outros gases com baixas concentrações, como hidrogênio, oxigênio, gás sulfídrico, nitrogênio e amônia A composição do biogás é fundamental para a geração de energia, pois quanto maior o volume de metano, maior será o poder calorífico do biogás e maior será o seu potencial energético (12,15).

A composição do biogás pode variar em decorrência de diversos fatores, dentre eles, a composição do material que será decomposto, o tipo de biodigestor empregado e fatores operacionais, como temperatura, pH e pressão. Cabe destacar que esses fatores operacionais devem ser controlados para as bactérias anaeróbicas não tenham suas atividades metabólicas prejudicadas (15). A decomposição da matéria orgânica pelas bactérias anaeróbias ocorrem em etapas distintas (Figura 2). A primeira é a hidrólise, a qual compreende a quebra dos compostos complexos como carboidratos, proteínas e lipídeos em substâncias mais simples, como açúcares, aminoácidos e peptídeos, em seguida ocorre a acidogênese, que consiste na degradação das substâncias mais simples geradas na primeira etapa em ácidos orgânicos, dióxido de carbono e alcoóis (15,20).

Figura 4- Seção transversal de um biodigestor de batelada. Fonte: Deganutti - 2002 Diferente de outros tipos de biodigestores que utilizam um processo continuo para geração do gás o do tipo batelada é abastecido uma única vez durante seu processo e permanece em repouso até o fim da reação, onde são abertos e retirado o gás e a biomassa que pode ser reutilizada para a fertilização (23,24). Motor ciclo Otto A utilização do biogás como combustível para o acionamento de equipamentos estacionários, sem dúvida é a maneira mais prática, simples e muito provavelmente mais econômica de se aproveitar esta forma de energia (25). O motor de combustão interna ciclo Otto é um conjunto de peças fixas e móveis que possui a função de disponibilizar energia mecânica em seu eixo principal, sendo classificado como um motor térmico, pois transforma a energia calórica dos combustíveis em energia mecânica (26).

O motor de ciclo Otto, também conhecido como de volume constante foi proposto pelo pela primeira vez pelo físico francês Alphonse Beau de Rochas em 1862, mas foi construído somente em 1872 por Nikolaus Otto (26,27). Os geradores, ou alternadores, podem produzir eletricidade nas tensões 110/220 V, 380/220 V, 440/254 V, dependendo do tipo de ligação trifásica (33). A figura 6 apresenta as principais partes de um gerador de eletricidade. Figura 6 - Gerador WEG linha G (Modelo GTA 250) Fonte: Souza- 2016 METODOLOGIA O biodigestor utilizado neste experimento foi confeccionado em um tambor de aço com volume útil de 200 L e revestimento interno em epóxi fenólico (Figura 7a). A esse tambor foram adaptados três conectores de ½’’ para ser acoplado um manômetro analógico com resina estabilizadora e anti vibrante em glicerina da marca Record (Figura 7b), um termômetro de mercúrio (Figura 7c) e uma válvula do tipo esfera de ½ ‘’ para a coleta dos gases (Figura 7d).

Figura 7a - Biodigestor utilizado no experimento; Figura 7b- Manômetro instalado no biodigestor para o controle da pressão interna Fonte: Acervo dos autores Figura 7c - Termômetro acoplado ao biodigestor para o controle da temperatura interna; Figura 7d - Válvula do tipo esfera para a coleta dos gases Fonte: Acervo dos autores A vinhaça utilizada foi cedida pela empresa Raizen, unidade Univalem e coletada em bombonas de polietileno no dia 5 de julho de 2018 (Figura 8). Durante o teste do gerador utilizando somente a gasolina juntamente com o óleo dois tempos como combustível, o equipamento funcionou durante 21 minutos e 50 segundo. No segundo teste, utilizando a gasolina com o lubrificante e o gás, o equipamento funcionou durante 25 minutos e 20 segundos, ou seja, houve um acréscimo de 3 minutos e 30 segundos ao tempo inicial.

Este acréscimo no tempo inicial de funcionamento pode ser considerado como a quantidade de combustível gerada a partir de 150 L de vinhaça. Aplicando a fórmula E = (P x t) /1000, onde E: é a energia gerada (Kw/h), P: é a potencia (w) e t: é o tempo (h), temos o valor de 0,02917 Kw/h de energia produzida através da biodigestão da vinhaça. CONSIDERAÇÕES FINAIS A busca por novas fontes de energia renováveis vem crescendo nas últimas décadas, e o aproveitamento da vinhaça na geração de energia tem se mostrado uma alternativa promissora, principalmente se considerarmos o seu lançamento nos corpos hídricos foi proibida em 1978 e a sua disposição no solo como fertilizante, exige um controle rigoroso para que não haja a contaminação do lençol freático.

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