Valente, Victor Bustani. Análise de viabilidade econômica e escala mínima de uso do biogás de ...

198 Pages·2015·7.31 MB·Portuguese

ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ESCALA MÍNIMA DE USO DO BIOGÁS
DE REATORES ANAERÓBIOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO NO
BRASIL

Victor Bustani Valente
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Planejamento
Energético, COPPE, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Planejamento Energético.
Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Luciano Basto Oliveira

Rio de Janeiro
Março de 2015
ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ESCALA MÍNIMA DE USO DO BIOGÁS
DE REATORES ANAERÓBIOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO NO
BRASIL

Victor Bustani Valente

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM
CIÊNCIAS EM PLANEJAMENTO ENERGÉTICO.

Examinada por:

________________________________________________
Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc.

________________________________________________
Dr. Luciano Basto Oliveira, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Marcos Aurélio Vasconcelos Freitas, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Carlos Augusto de Lemos Chernicharo, PhD

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2015
Valente, Victor Bustani
Análise de viabilidade econômica e escala mínima de
uso do biogás de reatores anaeróbios em Estações de
Tratamento de Esgoto no Brasil / Victor Bustani Valente.
– Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.
XVI, 182 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Luciano Basto Oliveira
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa
de Planejamento Energético, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 153-166.
1. Aproveitamento energético de biogás. 2.Viabilidade
econômica. 3.Reatores UASB. I. Szklo, Alexandre Salem
et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Planejamento Energético. III. Título.

iii
Os ignorantes do século 21 não serão
aqueles que não sabem ler e escrever,
mas aqueles que não sabem aprender,
desaprender e reaprender
Alvin Toffler
iv
AGRADECIMENTOS
Foram alguns anos desde que comecei o mestrado em planejamento energético como
aluno ouvinte, até iniciar oficialmente e enfim concluir a dissertação. Próximo da
chegada desse novo "rito de passagem", que é tornar-se mestre, posso dizer que
valeu muito a pena todo o esforço, devidamente recompensado pelo aprendizado. Por
isso, quero aqui agradecer a todos que de alguma forma contribuíram ao longo desse
processo.
Agradeço:
Ao meu orientador, Alexandre Szklo, que ao longo do mestrado tornou-se uma
referência pelo comprometimento com que ensina e pela clareza com que orienta e ao
Luciano Basto, como co-orientador, por acreditar no tema e contribuir com seus
questionamentos.
Aos participantes da banca examinadora, Carlos Chernicharo e Marcos Freitas, por
terem gentilmente aceito o convite. Suas contribuições serão certamente muito
valiosas. Especialmente ao Carlos, pela sua dedicação ao tema e por emprestar muito
do seu conhecimento para que esse trabalho fosse viável.
Aos professores e funcionários do PPE, pelo aprendizado proporcionado e pelo apoio.
À GIZ, que me proporcionou o contato com o tema e a oportunidade de explorá-lo.
Especialmente ao Dirk Assmann, que me apoiou a abrir a porta para o mestrado, ao
Wolfgang Roller que facilitou o seu fechamento e a Hélinah que segurou a onda
durante o processo, junto com os colegas do Probiogás Jens, Luis e Roberta.
Aos colegas do Ministério das Cidades, pelas informações prestadas e para quem eu
espero que essa dissertação também seja útil.
Ao Fabio Pressinotti, Marcelo Gaio, Gustavo Possetti, Waldo Villani, Carlão, Rafael
Miceli, Renato Buda, Carol Suidedos, Rosseto, Sergio Grandin, Marcelo e Rosane
Miki, Cristina Zuffo, Livia Lobato e tantos outros colegas que trabalham no setor de
saneamento. Sem vocês provavelmente essa dissertação não teria saído.
A todas as empresas, instituições e pessoas citadas, que não hesitaram em fornecer
informações, especialmente para o Luiz e a Christine da Albrecht e a turma da Rotária.
Ao Adriano, amigo da Hélinah, que mesmo sem me conhecer, gastou parte do seu
escasso tempo para ajudar.
v
Ao Marcos Teixeira e Regina Maroun, se não fosse pelo empurrãozinho de vocês,
talvez eu não tivesse entrado nessa.
A Amanda e Victória, que certamente são os melhores resultados desse mestrado,
pelo companheirismo, carinho e amizade e por fazer os estudos mais divertido.
E por fim, a Carola, que gestou essa dissertação comigo do inicio ao fim e que agora
gesta nossa filha e quem me inspira todos os dias a ser "Ein besserer Mensch".
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Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ESCALA MÍNIMA DE USO DO BIOGÁS
DE REATORES ANAERÓBIOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO NO
BRASIL

Victor Bustani Valente

Março/2015

Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Luciano Basto Oliveira

Programa: Planejamento Energético

O aproveitamento energético do biogás gerado em Estações de Tratamento de
Esgotos (ETEs) é uma realidade em muitos países. Suas principais vantagens são a
redução dos custos operacionais com energia e gestão do lodo. No Brasil, apesar do
grande potencial devido o uso maciço de tecnologias anaeróbias, esta alternativa
ainda é pouco difundida. Uma das principais razões é a incerteza sobre sua viabilidade
econômica. O presente estudo avaliou a viabilidade econômica do aproveitamento
energético de biogás em ETEs que servem entre 50.000 e 450.000 habitantes, para
cinco diferentes arranjos (1- Geração de eletricidade contínua, 2-Geração no horário
de ponta, 3-Cogeração com secagem parcial do lodo, 4-Secagem do lodo com
geração de eletricidade para autossuprimento do secador e 5- Somente secagem do
lodo). A tecnologia de tratamento biológico considerada foi um reator UASB seguido
de pós-tratamento com Lodos Ativados. A conclusão é que a escala mínima de
viabilidade, com TIRs acima de 8% a.a., para os diferentes arranjos, encontra-se entre
100.000 e 200.000 habitantes. Esse resultado indica que em mais de 172 municípios
brasileiros essa alternativa poderia ser economicamente viável e, para cenários menos
conservadores, em até 300 municípios, ou cerca de 57% da população brasileira.
Diante da meta do Plano Nacional de Saneamento Básico de ampliar a cobertura do
serviço de tratamento de esgotos de 39,7% para 92%, nos próximos 20 anos e da
tendência de aumento dos custos operacionais nas ETEs, o aproveitamento
energético de biogás pode desempenhar um papel estratégico no avanço do setor.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

ANALYSIS OF ECONOMIC FEASIBILITY AND MINIMUM SCALE DEFINITION FOR
BIOGAS USE FROM ANAEROBIC REACTORS IN SEWAGE TREATMENT PLANTS
IN BRAZIL

Victor Bustani Valente

March /2015

Advisors: Alexandre Salem Szklo
Luciano Basto Oliveira

Department: Energy Planning

The generation of energy using biogas from Sewage Treatment Plants (STPs)
is a reality in many countries. Its main advantages are the reduction of operating costs
due to energy and sludge management. In Brazil, despite the great potential
associated with the massive use of anaerobic technology, this alternative is not yet
widespread. A major reason is the uncertainty about its economic feasibility. This study
evaluated the biogas use for five arrangements (1- base-load electricity generation, 2-
generation at peak hours, 3-cogeneration with partial drying sludge, 4-drying the sludge
and electricity generation for supplying the dryer and 5- only sludge drying). It
evaluated the Net Present Value and Internal Rate of Return for STPs serving between
50,000 and 450,000 inhabitants. The biological treatment technology considered was a
UASB reactor followed by Activated Sludge. Findings show that the minimum economic
feasible scale, at IRR equal to 8% p.a., lies between 100,000 and 200,000 inhabitants.
This indicates that in more than 172 municipalities the biogas use could be
economically viable and, in less conservative scenarios, up to 300 municipalities, or
about 57% of the population. Given the goal of the National Basic Sanitation Plan to
expand coverage of 39.7% sewage treatment service to 92% over the next 20 years
and the increasing trend of operating costs in STPs, the generation of energy using
biogas could play a strategic role in the sector's progress.

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Sumário

1. Introdução .............................................................................................................. 1
2. Contextualização ................................................................................................... 5
3. Estado da Arte Sobre Aproveitamento Energético de Biogás em ETEs ............... 13
3.1. Recuperação energética a partir de resíduos ............................................... 13
3.2. Tecnologias de tratamento de efluentes e obtenção do biogás .................... 15
3.2.1. Digestão anaeróbica dos esgotos .......................................................... 19
3.2.1.1. Desafios para geração e captação do biogás em UASBs .................. 24
3.2.2. Digestão Anaeróbica dos Lodos ............................................................ 27
3.2.3. Co-digestão ........................................................................................... 31
3.3. Tecnologias de aproveitamento energético do biogás aplicadas no estudo .. 33
3.3.1. Tecnologias para limpeza do biogás ...................................................... 35
3.3.2. Tecnologias para armazenamento do biogás ........................................ 42
3.3.3. Tecnologias para uso térmico do biogás ................................................ 44
3.4. Tecnologias de cogeração a partir do biogás ................................................ 52
3.4.1. Motores de combustão interna .............................................................. 53
3.4.2. Motores a gás em ciclo Otto .................................................................. 53
3.4.3. Motores a gás em ciclo diesel ................................................................ 54
3.4.4. Turbinas ................................................................................................ 55
3.4.5. Microturbina a gás ................................................................................. 56
4. METODOLOGIA .................................................................................................. 59
4.1. Descrição do sistema de tratamento de esgoto adotado............................... 59
4.2. Produção de Biogás ..................................................................................... 60
4.3. Produção e Secagem do Lodo...................................................................... 61
4.4. Consumo energético no tratamento de esgotos e lodo ................................. 64
4.5. Descrição dos arranjos tecnológicos para uso térmico e elétrico do biogás .. 67
4.5.1. Arranjo 1 - Geração de eletricidade ....................................................... 69
4.5.2. Arranjo 2 - Geração de eletricidade no horário de ponta ........................ 72
4.5.3. Arranjo 3- Cogeração ........................................................................... 79
4.5.4. Arranjo 4 - Geração elétrica e secagem térmica do lodo ....................... 82
4.5.5. Arranjo 5 - Secagem térmica do lodo ..................................................... 83
4.6. Definição das escalas das ETES a serem analisadas .................................. 85
4.7. Custo dos arranjos tecnológicos por escala .................................................. 86
4.7.1. Custos de investimento do conjunto motogerador ................................. 86
4.7.2. Custos de investimento da linha de biogás ............................................ 88
4.7.3. Custos de investimento do sistema de secagem de lodo ....................... 92
ix
4.7.4. Custos de investimento com sistema de medição e segurança ............. 92
4.7.5. Custos de investimento da interligação com a rede ............................... 94
4.7.6. Custos de investimento com projeto e obra ........................................... 95
4.7.7. Custos operacionais e de manutenção .................................................. 98
4.8. Receitas com autoprodução de energia e redução do lodo ........................ 100
4.8.1. Cálculo da tarifa de energia elétrica ..................................................... 100
4.8.2. Cálculo da tarifa de transporte e disposição do lodo ............................ 103
4.8.3. Parâmetros financeiros ........................................................................ 103
4.9. Análise de viabilidade econômica dos arranjos ........................................... 107
4.9.1. Cálculos para produção de biogás e eletricidade ................................. 107
4.9.2. Cálculos da produção e secagem de lodo ........................................... 110
4.9.3. Cálculos dos custos de investimentos para cada arranjo ..................... 111
4.9.4. Cálculos dos custos operacionais para cada arranjo ........................... 112
4.9.5. Cálculos financeiros durante vida útil do projeto .................................. 114
5. Análise de resultados e propostas ..................................................................... 119
5.1. Análise de riscos e oportunidades .............................................................. 127
5.1.1. Produção de biogás ............................................................................. 128
5.1.2. Eficiência e manutenção de equipamentos .......................................... 129
5.1.3. Preço da energia ................................................................................. 129
5.1.4. Preço do transporte e disposição final do lodo ..................................... 130
5.2. Propostas de melhorias tecnológicas e novas análises .............................. 131
5.2.1. Melhorias no projeto, construção e operação de reatores UASB ......... 131
5.2.2. Secagem Solar .................................................................................... 135
5.2.3. Outras alternativas tecnológicas para cogeração ................................ 136
5.2.4. Comercialização de biometano a partir de ETEs ................................. 136
5.2.5. Análise de Ciclo de Vida na comparação dos arranjos tecnológicos .... 138
5.3. Propostas de medidas para incentivo do uso energético de biogás ............ 138
5.3.1. Alteração no fator de ajuste para geração na ponta............................. 138
5.3.2. Isenção de ICMS sobre Energia Compensada .................................... 140
5.3.3. Incentivos fiscais para aquisição de equipamentos.............................. 141
5.3.4. Geração de eletricidade a partir de biogás como item financiável ........ 142
5.3.5. Utilização de custos operacionais e critérios técnicos em licitações .... 143
5.4. Síntese dos Resultados .............................................................................. 144
6. CONCLUSÕES e RECOMENDAÇÕES ............................................................. 149
7. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................. 153
ANEXOS ................................................................................................................... 168
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