GENERATION OF ELECTRICITY THROUGH THE PROCESS OF GASIFICATION OF FECAL BIOMASS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7931120
Prof.ª Nathalia Martins da Silva Reis Pimentel1
Alcivan Rabelo Vieira2
Bruno Tiago Carneiro Moraes3
Epitácio André da Silva Junior4
Franciani Diniz Branco5
Rebeca Cristina Silva Nunes Ferreira6
RESUMO:
Em busca de alternativas de outras fontes renováveis para que possa ser realizada a geração de energia elétrica limpa, uma fonte que chama atenção é a biomassa que possui várias ramificações, ou seja, outros tipos de matéria-prima para a combustão, sem o uso do diesel. Uma alternativa é a geração por processo da gaseificação de biomassa fecal, é algo comum em todas as cidades pequenas ou grandes, onde consequentemente envolve um trabalho voltado ao saneamento básico, ao ser utilizando os dejetos humanos, mas também dependendo do projeto ser realizado com fezes de animais como por exemplo o gado. Em comparação ao ser humano, a geração através dos dejetos do gado seria capaz de gerar bem mais energia.
PALAVRAS-CHAVE: Biomassa, geração, energia.
ABSTRACT:
In search of alternatives from other renewable sources so that the generation of clean electric energy can be carried out, a source that draws attention is the biomass that has several ramifications, that is, other types of raw material for combustion, without the use of diesel. An alternative is the generation by process of gasification of fecal biomass, which is common in all small or large cities, which consequently involves work aimed at basic sanitation, when using human waste, but also depending on whether the project is carried out with feces. of animals such as cattle. Compared to humans, generation through livestock waste would be able to generate much more energy.
KEYWORDS: Biomass, generation, energy.
1. INTRODUÇÃO
Estima-se que até 2030 as necessidades de saneamento de 5 bilhões de pessoas em todo o mundo serão atendidas por saneamento local (STRANDE; BRDJOVIC,2014). Os sistemas de saneamento convencionais não acompanham o crescimento da população. Além disso, são sistemas de sustentabilidade financeira fraca, que incluem altos requisitos de energia e intensidade da água, ineficiência no transporte e tratamento dos resíduos fecais, originando problemas de saúde (WINBLAD; SIMPSON-HERBERT, 2004). A liberação de gases do efeito estufa na atmosfera continua contribuindo para o aquecimento global, com grande parte do consumo de energia mundial sendo produzido a partir de petróleo, carvão ou gás natural (WEC, 2016).
Notícias recentes indicam que a temperatura dos oceanos cresce rapidamente (ABRAHAM, 2017), a agricultura sofre instabilidades com excesso de luz solar na África (CBS, 2016) e a temperatura da superfície da Terra em 2016 foi a maior já registrada na história (NASA, 2017). Nessa conjuntura, as energias renováveis são uma das formas mais eficientes de se combater esse impasse. A associação REN21 (2017), que busca a troca de conhecimentos para a difusão das energias renováveis, indicou em seu último relatório anual que elas já estão com preços comparáveis com combustíveis fósseis e com um consumo anual crescente de 2015 até o ano seguinte.
A Biomassa, pode ser definida como qualquer material orgânico derivado de plantas e animais que vivem ou viveram em um passado recente (BASU, 2013), é uma fonte de energia renovável bastante presente num contexto mundial, suprindo 10% de todo o fornecimento de energia (WEC, 2016). Podem ser definidos como biomassa, materiais como madeira e diversos resíduos agrícolas, porém, outro tipo de biomassa pouco mencionado, são os dejetos humanos. Existe um grande problema sanitário ao redor do mundo atualmente e um tratamento adequado pode não só ajudar na questão da saúde, mas também suprir problemas energéticos devido ao seu grande potencial. Do ponto de vista energético, o conceito geral abordado pela CENBIO é que biomassa seria todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizado para produção de energia.
2. OBJETIVO
A presente tese visa avaliar a capacidade de geração de energia renovável através da conversão termoquímica, utilizando como matéria prima a biomassa fecal humana em um gaseificador de biomassa, situado na comunidade ribeirinha Cavalcante.
2.1 Objetivos Específicos
2.1.1. Validar a simulação do processo de gaseificação com resultados experimentais da gaseificação de fezes humanas;
2.1.2. Avaliar a viabilidade econômica na utilização de biomassa fecal na produção de energia renovável na produção de biogás.
2.1.3. Avaliar os impactos da relação entre saneamento básico e saúde pública na saúde pública da população.
3. JUSTIFICATIVA
Em busca de fomentar o debate sobre o tema, esta publicação apresenta o biogás como uma solução integrada de economia circular e conservação de capital natural em prol do desenvolvimento sustentável. Analisa-se, portanto, o setor de biogás a partir do aproveitamento energético de biomassas oriundas do esgotamento sanitário e de resíduos sólidos urbanos.
Com o propósito de reduzir a carga de material orgânico em sistemas de esgoto, saneamentos sustentáveis podem separar resíduos sólidos para conversão termoquímica em gás de síntese. A solução proposta visa reduzir significativamente os impactos ambientais e de saúde do saneamento precário, além de minimizar o uso de água e energia, que são os principais desafios do crescimento de países subdesenvolvidos. A conversão termoquímica a partir da gaseificação pode potencializar a geração de combustível gasoso através da biomassa fecal humana, convertendo dejetos sólidos humanos em gás combustível de poder calorífico apropriado para geração de energia.
4. REFERENCIAL TEÓRICO
4.1 Caracterização das Fezes Humanas
As fezes humanas são rejeitos do metabolismo humano. Sua aparência e suas características físicas e químicas dependem da saúde do indivíduo excretor, bem como da quantidade e do tipo de alimento ingerido (NIWA GABA, 2009).
Fezes são compostas de água, proteínas, gorduras e alimentos não digeridos, polissacarídeos, biomassa bacteriana e cinzas. Sua composição, em média, na base úmida, é de 74% de oxigênio, 10% de hidrogênio, 5% de carbono e 0.7% de nitrogênio, além das partículas de hidrogênio e oxigênio presentes na água. Além disso, a proporção de água costuma variar entre 63−86%, em uma média de 75% (ROSE et al., 2015). Rose et al. (2015) destacam que, considerando a média de 75% de proporção de água, os 25% restantes são compostos por material sólido; destes 25%, cerca de 84% a 93% é matéria orgânica.
4.1.1 Fatores que influenciam na taxa de geração de fezes
Os principais fatores que afetam a taxa de geração de fezes são o total de comida ingerida, o peso corporal e a dieta. Parker e Gallagher (1992) descobriram que existe uma relação entre a produção fecal diária e a quantidade de calorias ingeridas. No entanto, essa relação representa apenas cerca de 28% da variação de produção fecal entre os indivíduos. Note que indivíduos com peso corporal distintos carecem de ingestão calórica distintas, logo esses fatores influenciam direta e indiretamente na produção fecal diária (MOYES; MCKEE, 2008).
A quantidade de fezes produzida por uma pessoa depende da composição da comida consumida. Dietas baseadas em alimentos pobres em fibras, como a carne, resultam em uma menor quantidade de fezes do que uma alimentação rica em fibra. A produção fecal varia de região para região ou país, e seus principais nutrientes (nitrogênio, fósforo e potássio), que originam do alimento consumido, também variam de indivíduo para indivíduo (NIWAGABA, 2009). Davies et al. (1986) estudaram a influência da dieta na massa de fezes úmida produzida por dia. Percebeu-se uma diferença na frequência de evacuação em função da dieta, associada diretamente com a quantidade de fibras ingeridas, e uma diferença na quantidade e na formação das fezes entre homens e mulheres. Reddy et al. (1998) também perceberam uma relação direta entre a quantidade de fezes produzida e a ingestão de fibras.
Figura 1: Relação entre a ingestão de fibras e a quantidade de fezes produzida
Fonte: Rose et al. (2015, p. 12)
4.2 CONVERSÃO DA BIOMASSA EM ENERGIA
Existe um vasto leque de rotas tecnológicas para a conversão de biomassa em energia.
As três principais são:
- Conversão termoquímica: que inclui a combustão direta, a gaseificação e a pirólise;
- Conversão bioquímica: que inclui a digestão anaeróbica, ou fermentação/destilação e a hidrólise;
- Conversão físico-química: que inclui a compressão, extração e esterificação.
Com os processos de conversão de biomassa/resíduos é possível produzir três tipos de combustíveis primários: sólidos, líquidos e gasosos. Dos combustíveis primários, são derivados quatro categorias de produtos finais: calor, eletricidade, líquidos combustíveis e produtos químicos. As rotas tecnológicas de conversão da biomassa estão esquematizadas na figura 2. No caso, a biomassa fecal humana se enquadra como um resíduo orgânico urbano, de origem predominantemente agrícola. De acordo com MME (2007), os processos de conversão previstos para esse tipo de biomassa são: combustão direta, pirólise, gaseificação e biodigestão, além de liquefação e hidrólise com fermentação.
Figura 2: Rotas tecnológicas de conversão da biomassa
Fonte: MME (2007, p. 105)
5. METODOLOGIA
5.1 Biomassa como fonte limpa de geração de energia elétrica
Uma das fontes renováveis que apresenta grande relevância no que se refere ao meio ambiente é a biomassa. Com o desenvolvimento da indústria a partir do século XIX, a biomassa, que no passado foi muito utilizada para suprir as demandas de energia da humanidade, perdeu sua importância na matriz energética mundial (IPEA, 2010). A partir da década de 70, com a crise do petróleo, houve necessidade de desenvolvimento de novas fontes de energia (CPFL ENERGIA, 2017). Apesar disso, somente depois de 1990, com a aparição de acordos globais devido ao aumento da preocupação mundial com mudanças climáticas e às altas taxas de emissão de gases poluentes, é que o uso das fontes renováveis realmente se expandiu (SEVERINO; CAMARGO; DE OLIVEIRA, 2014).
A biomassa é uma fonte que apresenta grande apelo ambiental pois permite recuperação da energia (uma vez absorvida pelas plantas ou animais em forma de oxigênio – ciclo do carbono), através de processos como combustão direta, gaseificação e pirólise, resultando na formação de gases, vapores e líquidos que serão utilizados para a geração de energia elétrica. Seu uso também evita a poluição ambiental, uma vez que são utilizados materiais que poderiam poluir o meio ambiente (WALTER; NOGUEIRA, 1997.; ADAMI, 2012.; SEVERINO; CAMARGO; DE OLIVEIRA, 2014.; ZANETTE, 2009).
Dentre as formas de geração de eletricidade a partir da biomassa, uma delas é baseada na utilização do gás metano, normalmente produzido pela decomposição de materiais orgânicos como esterco, restos de alimentos, resíduos urbanos e agrícolas, etc. Como utiliza materiais que seriam eliminados, o custo da matéria prima é reduzido (ADAMI, 2012). Além disso, a biomassa apresenta alta densidade energética e facilidades de armazenamento, conversão e transporte, aumentando a atratividade dessa fonte (MARTINS, 2015). No Brasil, em 2017, cerca de 14.000 MWh de energia elétrica devem ser gerados por biomassa (ANEEL, 2017b).
Os resíduos urbanos e da agropecuária são geralmente descartados, ocasionando problemas ambientais, como a contaminação do solo e comprometimento da qualidade da água, devido à grande quantidade de organismos patogênicos que carregam (ADAMI, 2012; CALZA et al., 2015) . O biogás é uma mistura gasosa produzida a partir da decomposição anaeróbica de materiais orgânicos, composto principalmente de metano (CH4) e gás carbônico (CO2), encontrando-se ainda em menores proporções gás sulfídrico (H2S) e nitrogênio (N2). A concentração dos gases varia de acordo com o tipo de material orgânico do qual origina o biogás, que pode também ser denominado de gás de aterros, gás do lixo, gás de esgotos, gás de lodo, gás de dejetos, dentre outros (ZANETTE, 2009). A geração do biogás proveniente de origem animal ou vegetal ocorre lentamente e necessita da instalação de um biodigestor para catalisação do processo e armazenamento do gás (MARTINS, 2015).
5.2 Estado da arte do tratamento de resíduos fecais
5.2.1 Estabilização dos Excretas
Os excretas humanos possuem matéria orgânica instável, constituída de poucas substâncias simples como hidrogênio (H), oxigênio (O), nitrogênio (N), Carbono (C), enxofre (S) e fósforo (P) que, combinadas de diversas maneiras e proporções, formam a imensa variedade de compostos orgânicos em estado sólido, líquido e gasoso (FUNASA, 2004).
Ainda segundo FUNASA (2004), os excretas lançados no solo sofrem ação de natureza bioquímica, pela presença de bactérias saprófitas, até sua mineralização. A matéria orgânica pode sofrer decomposição aeróbia (oxidação) devido à presença de oxigênio ou anaeróbia (redução) devido à falta de oxigênio. A primeira acontece na superfície enquanto a segunda acontece no interior da biomassa. Entretanto, se a mesma massa for diluída em grande volume de água contendo oxigênio dissolvido, a decomposição pode ser totalmente aeróbia, porque essas condições propiciam um íntimo contato das substâncias orgânicas tanto com o oxigênio como com as bactérias aeróbias. Além de a decomposição aeróbia não produzir maus odores, Processa-se em período de tempo menor que a anaeróbia. A decomposição anaeróbia, para total estabilização da matéria orgânica, requer várias semanas e até meses, enquanto a aeróbia pode efetivar-se em termos de horas.
5.2.2 Sobre a Caracterização das Fezes
Existe uma vasta literatura abordando a caracterização físico-químico-biológica das fezes humanas. GUYTON e HALL (2002) e AIRES (2008) descrevem as fezes humanas como sendo compostas por cerca de 80% de água, sendo os 20% da fração sólida constituída por, aproximadamente, 30% de bactérias mortas, de 10 a 20% de gordura, de 10 a 20% de matéria inorgânica e cerca de 30% de resíduos não digeridos (fibras de celulose, hemicelulose e pectinas) e, ainda, de 2 a 3% de proteína. Do ponto de vista biológico, podem conter elevadas concentrações de vírus patogênicos, ovos de helmintos e cistos de protozoários (FAECHEM et al., 1983).
TONANI (2010) apud (SALAS, 2005) também reporta que as fezes são compostas por restos alimentares, alimentos não processados na digestão, gorduras, hidratos de carbono, proteínas extraídas da corrente sanguínea e de material não digerido que passa pelo intestino, além de uma grande quantidade de microrganismos, podendo atingir 1 bilhão por grama de fezes. A Tabela 3-2 apresenta algumas características das fezes humanas.
Figura 3: Quantidade, composição e características de fezes humanas.
Adaptada de TONONI (2010)
5.3 SISTEMAS DE SANEAMENTO
Existem na literatura várias definições de saneamento com as respectivas tecnologias empregadas para o seu bom funcionamento, desde os sistemas mais simples aos mais complexos.
Segundo o Compêndio de Tecnologias e Sistemas de Saneamento (TILLEY et al., 2014), saneamento é definido como um processo de multietapas no qual os excrementos humanos e águas residuais são geridos desde o ponto de geração até o ponto de utilização ou disposição final, isto é, uma série específica de tecnologias e serviços para a gestão desses resíduos (ou recursos), englobando a coleta, o confinamento, transporte, transformação e utilização ou disposição final.
5.3.1 Sistemas Convencionais
TILLEY et al., (2014) citam nove modelos de sistemas de saneamento convencionais, os quais são descritos a seguir:
5.3.1.1 Sistema de Fossa Simples
Esse sistema (Figura 3-5) baseia-se na utilização de um único poço para coletar e armazenar excrementos. Os fluxos de entrada podem ser urina, fezes, água de limpeza anal, água de enxágue e papel higiênico. Esse processo é altamente patogênico, e, se não tratado, o contato humano e aplicação direta na agricultura devem ser evitados. Outro fator que deve ser levado em consideração é o nível do lençol freático devido ao grande risco de contaminação.
5.3.1.2 Sistema de Fossa Seca sem Produção de Lodo
Sistema projetado para produzir material sólido similar à terra, com uso alternativo de fossa e câmara de compostagem (Figura 3-6). Os fluxos de entrada podem ser urina, fezes, materiais orgânicos, água de limpeza anal e papel higiênico. Esse sistema permite o uso alternativo das fossas: enquanto uma está em uso, a outra está funcionando como câmara de armazenamento e compostagem servindo como um sistema de tratamento. Se operadas de forma correta, o produto gerado é semelhante a húmus e pode ser manuseado com segurança.
Figura 5: Sistema de fossa seca sem produção de lodo.
Fonte: (TILLEY et al., 2014)
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
STRANDE, L.; BRDJANOVIC, D. Faecal Sludge Management: Systems Approach for Implementation and Operation. IWA Publishing, 2014. ISBN 9781780404721. Disponível em: <https://books.google.com.br/books?id=tiglBQAAQBAJ>. Citado na página 13.
WINBLAD, U.; SIMPSON-HEBERT, M. Ecological Sanitation. Stockholm Environment Institute, 2004. ISBN 9789188714985. Disponível em: <https://books.google.com.br/books?id=nM6B\_uMwU5MC>.
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ABRAHAM, John. New study confirms the oceans are warming rapidly. 2017. Disponível em: <https://www.theguardian.com/environment/climate-consensus-97- per-cent/2017/jun/26/new-study-confirms-the-oceans-are-warming-rapidly>. Acesso em: 04 jul. 2017.
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