Aproveitamento de biogás, hidrogênio e gás de síntese no setor de transporte público e agroindustrial de arroz: estudo de potencial energético de resíduos e emissões de poluentes = Biogas, hydrogen and syngas utilization in the public transport sector and rice agroindustry : study of energy potential of waste and pollutant emissions

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2017.Esse estudo baseia-se na investigação e análise da potencialidade de implantação de sistemas bioenergéticos nos setores de transporte público nacional e na indústria de arroz do estado do Rio Grande do Sul (RS), grande geradora de resíduos agroindustriais. Em ambos os setores são avaliadas as variáveis ambiental, de emissão de poluentes e aproveitamento de resíduos, econômica, de custos de implantação ou economia com combustível e por fim, a eficiência de conversão energética dos sistemas empregando motores de combustão interna. Nesses sistemas, combustíveis compostos por metano, biogás, hidrogênio e gás de síntese (syngas) são comparados a blendas biogás-syngas, metano-hidrogênio e biogás-hidrogênio. Como principais resultados, constatou-se que o Brasil gera cerca de 415.886 Nm3/h de CH4 em aterros sanitários, capaz de abastecer mais de 120.000 ônibus, superior à frota nacional real, estimada em 107.000 veículos. Com a aplicação de blendas compostas por 20% de hidrogênio, esse potencial sobe para mais de 170.000 veículos que poderiam ser atendidos. Operando em condições de mistura magra (?=1,7) com 20% de H2 (vol.) em HBio95, as emissões de NOx foram iguais a 0.036 g/kWh, uma redução expressiva quando comparada a 7,66 g/kWh em mistura estequiométrica, além de aumento de eficiência (?i) de 23 para 26%. Já a análise econômica apontou que, com o uso dos gases, durante o período de vida útil de um ônibus, R$1.183.779,31 deixariam de ser gastos com diesel. No caso das indústrias de arroz, o estado do RS pode gerar 2,17E+04 MWh por ano de energia elétrica aproveitando o biogás, cuja vazão diária calculada foi de 1,7E+04Nm3. O estudo de caso realizado na empresa no 5 localizada na cidade de Pelotas permitiu verticalizar a análise, onde constatou-se que a produção de biogás no reator UASB, se aproveitada em sistema de cogeração, produz uma receita de R$221.265,00/ano somente com a energia elétrica gerada e que deixaria de ser adquirida da concessionária local. Utilizando o biogás (70% CH4), o aumento do valor de ? de 1 para 1.25 leva a 30,57% e 65,32% de redução das emissões de CO e NOx, em g/kWh, além de aumento da eficiência indicada.Abstract : This study is based on the investigation and analysis of the potential of bioenergy systems implementation in the national public transport and the rice industry sector in the Rio Grande do Sul state (RS), the major generator of agroindustrial waste. In both sectors the following variables are evaluated: environmental, consisting the pollutant emissions and use of waste; economic, consisting cost of implementation or fuel economy and; the energy conversion efficiency of the systems based on internal combustion engines. In these systems, fuels composed of methane, biogas, hydrogen and synthesis gas (syngas) are compared to blends biogas-syngas, methane-hydrogen and biogas-hydrogen. As main results, it was verified that Brazil generates about 415,886 Nm3/h of biogas in landfills, which could supply more than 120,000 buses, higher than the actual national fleet, estimated at 107,000 vehicles. Considering the application of blends with 20% of hydrogen, this potential rises to more than 170,000 vehicles that can be served. Operating at lean mixture (? = 1,7) with 20% H2 (vol.) in HBio95, NOx emissions were equal to 0.036 g/kWh, significant reduction when compared to 7.66 g/kWh in stoichiometric mixture and increase in efficiency (?i) from 23 to 26%. The economic analysis pointed out that, with the use of the gases, during the useful life of a bus, R$1,183,779.31 would no longer be spent on diesel. In addition to NOx reduction, avoided CO2 emissions and absence of particulate matter can be cited as advantages if diesel is replaced by biofuels. In the case of the rice industries, the state of RS can generate 2.17E+04 MWh per year of electricity using biogas, whose calculated daily flow was 1,7E+04 Nm3. The case study of the company nº 5 located in the city of Pelotas allowed the verticalization of the analysis, where it was verified that the biogas production in the UASB reactor, if used in a cogeneration system, produces a revenue of R$ 221,265.00/year only with the electric energy produced and that would no longer be acquired from the local concessionaire. Using the biogas (70% CH4), increasing the value of ? from 1 to 1.25 leads to 30.57% and 65.32% reduction of CO and NOx emissions, in g/kWh, in addition to the indicated efficiency increase