ESTUDO PARA APROVEITAMENTO ENERGÉTICO ATRAVÉS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS NO MUNICÍPIO DE IJUÍ/RS DALLEPIANE, Patrícia1; BRAIDA, Valéria2; LUCCHESE, Taís3; RODRIGUES, Mauro4; Resumo: Atualmente, o aumento dos resíduos sólidos urbanos tem chamado a atenção de vários setores públicos e profissionais. Isso ocorre devido ao desenvolvimento acelerado das áreas urbanas que, consequentemente, geram diariamente um acúmulo de dejetos, que são expostos ao meio ambiente com tratamento inadequado, ocasionando a degradação ambiental e problemas sociais. Desta forma, o trabalho busca analisar uma alternativa viável para a destinação final dos resíduos sólidos do Município de Ijuí, propondo a implantação de um aterro sanitário, que através dele ocorre a liberação do biogás, cuja emissão é um componente de elevado potencial energético que pode ser utilizado como fonte de geração de energia elétrica. Além de se enquadrar nos quesitos de desenvolvimento sustentável, pela diminuição do gás metano lançado na atmosfera. Abstract: Currently, the increase of municipal solid waste has drawn the attention of various public and professional sectors. This is due to the accelerated development of urban areas, consequently, daily generate an accumulation of waste, which are exposed to the environment with inadequate treatment, causing environmental degradation and social problems. Thus, the work seeks to analyze a viable alternative for the disposal of solid waste in the municipality of Ijuí, proposing the implementation of a landfill, that through it is the release of biogas, the issue is a high energy potential component that can be used as a source of electricity generation. In addition to fit the requirements of sustainable development, the reduction of methane gas into the atmosphere. Palavras-Chave: Resíduos Sólidos Urbanos. Aproveitamento Energético. Geração de Energia Elétrica. Aterro Sanitário. Keywords: Urban solid waste. Energy use. Electricity Generation. Landfill.
1
Acadêmica de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail:
[email protected] 2 Acadêmica de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail:
[email protected] 3 Acadêmica de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail:
[email protected] 4 Professor do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. E-mail:
[email protected]
Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 181
INTRODUÇÃO Uma das principais preocupações para sociedade e administração pública é o crescente aumento na produção diária dos resíduos urbanos, ocasionando problemas sociais, ambientais e econômicos (BARROS, 2013). Conforme princípio descrito na Lei nº 12.305/2010, responsável pela Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), estabelece essencial a busca de soluções para o problema ambiental brasileiro, que resulta no gerenciamento incorreto do destino final dos dejetos. Atualmente, o grande desafio está em desempenhar métodos de gerenciamento adequado aos resíduos sólidos urbanos, equilibrando a produção que é gerada diariamente pela sociedade, a reciclagem, o depósito e aproveitamento posterior. Pois, através do acúmulo desses dejetos ocorre a produção do biogás, formado em cerca de 50% por gás metano, cuja emissão é um dos fatores que causam o efeito estufa. Assim, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver uma análise referente à alternativa da implantação de um aterro sanitário para o tratamento e destinação dos resíduos sólidos provenientes dos espaços urbanos disponíveis no município de Ijuí. Com isso, buscase atingir o percentual possível de transformação do biogás gerado em energia elétrica através da queima do biogás, que é produzido pela decomposição do lixo. Gerando, assim, energia elétrica, de forma econômica, limpa e visando principalmente a melhoria de qualidade de vida do homem. Pode-se, inclusive, obter créditos de carbono e vantagens na venda desta energia por tratar-se de ambientalmente limpa.
METODOLOGIA O trabalho busca analisar a alternativa de implantação de um aterro sanitário para a destinação dos resíduos sólidos urbanos do Município de Ijuí. Com o principal objetivo de analisar a viabilidade do potencial de geração de energia elétrica de fonte renovável, através do aproveitamento do biogás produzido. A principal técnica a ser utilizada para concepção do projeto é a revisão bibliográfica, através de pesquisas em livros, teses e artigos. Para dimensionar a geração de lixo foram utilizadas pesquisas da própria Prefeitura nos últimos anos. Posteriormente será desenvolvida a coleta de dados de valores aproximados do total de lixo produzido que permita a avaliação
Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 182
do processo como um todo, concluindo com a análise resultante do conteúdo obtido, além de adequar a cidade à Política Nacional de Resíduos Sólidos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO 1. Fontes Renováveis de Energia O crescimento populacional e econômico é o principal fator que contribui para o aumento diário do consumo de energia elétrica, pois é através dela que se proporciona trabalho e desenvolvimento, assim como qualidade de vida aos consumidores. Com isso, destaca-se o incentivo em estudos e projetos de aproveitamento energético e fonte renováveis de geração, pois é o principal fator que contribui para atender a demanda energética de forma sustentável. Conforme Wottrich (2011), a fonte renovável é uma energia que vem de recursos naturais, pois são aquelas cuja reposição é rápida, comparado com sua utilização. Possuem uma produção de energia limpa, como no caso das águas dos rios, marés, sol ou ventos, ou quando o manejo pode ser realizado de forma compatível com as necessidades de uso, como ocorre na biomassa. No decorrer dos últimos anos, visando as potencialidades e características locais, diversificação na matriz energética, e alternativas para atender a necessidades por outras opções de geração, os novos projetos vem apresentando desenvolvimento na execução e registram avanços tecnológicos, ocorrendo através de fontes fotovoltaicas, eólica, biomassa e o biogás. A biomassa é classificada como matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica. Ela pode ser de origem florestal, agrícola e dejetos urbanos e industriais. Além disso, através dela obtém-se energia elétrica e biocombustível, como o biodiesel e o etanol, e a produção de biogás (ANEEL,2008). Com isso, a geração de energia mais favorável ao meio ambiente obtido da biomassa é a contida em resíduos urbanos, industriais e agropecuários. Pois sua aplicação permite a redução dos gases do efeito estufa, ganho ambiental e redução de custos. Os dejetos armazenados passam naturalmente do estado sólido para o estado gasoso, pela decomposição da matéria orgânica, através da ação dos microorganismos em um ambiente sem a presença do ar, ou em um ambiente conhecido como anaeróbico. O biogás é um gás que possui características como incolor e insolúvel em água. E em sua composição Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 183
encontra-se gás metano, hidrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, nitrogênio e gás sulfúrico (ANEEL, 2008). 2. Resíduos Sólidos Urbanos Os resíduos sólidos urbanos, ou conhecidos como lixo, apresentam grande diversidade de materiais em sua composição, os quais perderam seu tempo de vida útil e são considerados inúteis ou descartáveis. Conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), na Norma Brasileira Registrada (NBR 10004, 2004), aplica-se a definição que o lixo possui origem através de atividades industrial, hospitalar, doméstica, comercial, agrícola, de serviço e variação. Os lixos possuem sua classificação de acordo com sua periculosidade, pois devido a suas propriedades químicas, físicas ou infectocontagiosas, podem causar riscos ao meio ambiente, e danos à saúde pública. Assim, a divisão das classes ocorre de acordo com o seu tipo e a definição de cada uma, para serem dispostos em locais apropriados, conforme descrito em norma (NBR 10004, 2004): •Classe I - Perigosos: características corrosivas, inflamáveis, tóxicos e entre outros; •Classe II - Não Perigosos: Os não inertes com propriedades de solubilidade em água ou biodegradabilidade. E inertes não apresentam solubilizadas concentrações superiores aos padrões estabelecidos da água. Atualmente, a produção diária de resíduo sólido urbano nos municípios tem causado um acelerado aumento no valor final do volume de lixo acumulado. Ocasionando preocupações na administração pública, para o adequado tratamento a ser realizado ao seu armazenamento. Contudo, o maior problema não é a quantidade de lixo gerada diariamente, e sim a forma como é realizada a destinação. Entretanto, uma das alternativas para minimizar este problema é o reaproveitamento dos materiais descartados através da reciclagem, onde preservará o meio ambiente contribuindo na diminuição da poluição, além de gerar empregos, sendo benéfica para a sociedade como um todo. Todavia, restará uma quantidade de resíduos que não podem ser reciclados e reaproveitados, necessitando de um local adequado para disposição final. Nesta perspectiva, surgem então as possibilidades de implantar um aterro sanitário para esses dejetos. O aterro sanitário é um modelo padrão a ser utilizado como forma de armazenamento do lixo, pois através dele ocorre o controle e tratamento de líquidos percolados e dos gases Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 184
gerados. Além de permitir a proteção à saúde pública, e principalmente poder ser utilizado para a geração de energia elétrica. 3. Aterro Sanitário O aterro sanitário é um processo utilizado para a disposição de resíduos sólidos no solo, onde são compactados e cobertos com terra na forma de células, formando camadas. Para proteção à saúde pública e a segurança, minimizando os impactos ambientais, são fundamentados critérios de engenharia para tratar e confinar os resíduos e normas operacionais específicas a serem respeitadas (ZIRR, 2010). Por isso, há a necessidade de um responsável técnico habilitado e constante monitoramento do processo. O aterro é o local mais apropriado para disposição final dos resíduos. Entretanto, antes de projetá-lo para utilização, deve ser verificado o solo e a questão geológica da área selecionada. E, principalmente, realizar a impermeabilização do solo, e a instalação de drenos horizontais para captação dos líquidos percolados e drenos verticais para a drenagem dos gases. Conforme apresentado na Figura 1, exemplificando o processo desenvolvido. Figura 1- Esquema de um aterro sanitário
Fonte: ZIRR, 2010
Segundo a Fundação Estadual de Proteção Ambiental do Rio Grande do Sul (FEPAM): RESOLUÇÃO CONSEMA Nº 073/2004, Art. 3º - O recebimento de resíduos sólidos industriais em áreas de
Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 185
empreendimentos caracterizados como Aterros Sanitários de Resíduos Sólidos Urbanos, em células específicas, poderá ser objeto de solicitação de licenciamento ambiental, por parte do empreendedor, junto ao órgão ambiental competente (RESOLUÇÃO CONSEMA 073/2004, 2004, p. 1).
De acordo com o conceito atribuído pela FEPAM, no licenciamento ambiental são desenvolvidas avaliações de impactos causados pelo empreendimento, assim como seu potencial ou sua capacidade de gerar líquidos poluentes, resíduos sólidos, emissões atmosféricas, ruídos e potencial de risco. As licenças visam estabelecer condições para causar menor impacto possível ao meio ambiente. Com isso, os aterros sanitários vêm a se destacar em municípios em que ainda não possuem o gerenciamento controlado para os resíduos, pois é uma prática de disposição de lixos no solo (MENDES, 2005), sem contaminação. Além disso, permite que possam ser reaproveitados nos insumos que ali estão depositados, incluindo o biogás gerado a partir da decomposição da matéria orgânica. A produção do biogás ocorre a partir de uma grande variedade de dejetos, entretanto possuem gases do efeito estufa que podem vir a prejudicar o meio ambiente. Ele é composto de uma mistura de 45 a 60% de metano, 35 – 50% de dióxido de carbono, e 5% de hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e gás sulfúrico. Essa variação ocorre referente ao tipo composição dos dejetos e eficiência do processo (FIGUEIREDO, 2011). A formação do biogás é resultante da decomposição das matérias orgânicas, através das bactérias em meio anaeróbico. Sua produção depende de diversos fatores como: umidade, pH, temperatura, nutrientes e tempo de disposição do resíduo (MENDES, 2005). Entretanto nos aterros sanitários, sua composição depende principalmente do tipo de resíduo que a população vai produzir e a maneira que estes materiais são dispostos ao chegarem ao aterro. Para desenvolver seu controle e monitoramento, essa técnica contribui com o aproveitamento energético do biogás, que é produzido pela decomposição do lixo e confinamento de dejetos de animais. Gerando energia elétrica, de forma econômica, limpa e visando principalmente a melhoria de qualidade de vida do homem. Além de se enquadrar nos quesitos de desenvolvimento sustentável, pela diminuição do gás metano lançado na atmosfera. Assim, pela viabilização de novas tecnologias e pela redução de impacto ao meio ambiente. A implantação desse processo, além de criar novas matrizes energéticas, conseguirá reduzir o volume desses resíduos. Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 186
4. Estudo de Caso O principal objetivo desse projeto é analisar a degradação dos resíduos e convertê-los em uma forma de energia útil. Assim, a quantidade de energia produzida é estimada a partir da geração e captura do metano, que ocorre durante a degradação do material orgânico, que pode vir a aumentar de forma gradual de acordo com a disposição de dejetos durante o período de utilização, e decair, mesmo continuando a produzir durante anos, após cessada a sua disposição de dejetos. Conforme dados obtidos do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), no decorrer do ano de 2010, o município de Ijuí corresponderia a 71.557 habitantes residentes na área urbana e 7.336 habitantes na área rural. Estima-se que a quantidade de resíduos sólidos coletados e submetidos a tratamentos e disposição final em aterros mensalmente é de 1.700 toneladas, sendo constituída a maior parcela por resíduos sólidos domiciliares. A composição dos resíduos sólidos urbanos do município de Ijuí, encaminhados para sua disposição final no aterro sanitário, pode ser analisado conforme Figura 2. Figura 2 - Composição dos RSU de Ijuí
Fonte: OLIVEIRA, 2011.
Como o aterro sanitário de Ijuí não possui licenciamento ambiental, os dejetos são levados ao aterro do município de Giruá. Entretanto a sua vida útil varia em torno de 15 a 25 anos, de acordo com o volume de lixo depositado. Dessa forma, estima-se uma temperatura (°C) na zona anaeróbia dos resíduos, em 25°C, no ano inicial de 2001 e ano final de 2025. A metodologia desenvolvida está baseada no modelo do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, 1996), onde estima-se a previsão do volume de metano a Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 187
ser gerado conforme o período de tempo considerado. Para o cálculo da emissão de metano, utiliza-se a Equação 1: (1) Onde: Q: Geração de metano no ano (m³/ano); Lo: Potencial de geração de metano nos resíduos (m³/ton); R: Média anual de deposição dos resíduos durante a vida útil do aterro (t/ano); k: Constante de decaimento (〖ano〗^(-1) ); c: Tempo desde o fechamento do aterro (anos); T: Tempo desde a abertura do aterro (anos). A constante de decaimento (K) está relacionada com o tempo necessário para a quantidade de resíduo carbônico orgânico degradável (COD) decair pela metade. De acordo com IPCC (1996), a constante pode ser definida através da Equação 2.
(2) Onde: k: Constante de decaimento (〖ano〗^(-1) ); t (1/2): Tempo para a fração COD decair pela metade em massa (anos). Entretanto, será necessário primeiro calcular a fração de carbono orgânico degradável. O COD é relacionado conforme o tipo de resíduo presente no aterro, sendo classificado pelo IPCC através da Tabela 1 e podendo ser obtido pela Equação 3. Tabela 1 - Fração de carbono orgânico degradável
Fonte: ZIRR, 2010.
COD= (0,4×A) + (0,15×C) + (0,3×E)
(3)
COD= (0,4×11,11) + (0,15×65,65) + (0,3×2) Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 188
COD=15,94%=0,1594 Após o cálculo da fração de carbono orgânico degradável, é necessário calcular o potencial de geração do metano, conforme a Equação 4.
(4) Onde: Lo: potencial de geração de metano do resíduo [(m³(Biogás))/(Kg(RSD))]; MCF: fator de correção do metano (%); COD: fração de carbono degradável [KgC/(Kg(RSD))]; CODf: fração de COD dissolvida [KgC/(Kg(RSD))]; F: fração de metano no biogás; 16/12: conversão de carbono (C) para metano (CH4); RSD: resíduo sólido domiciliar. Os parâmetros descritos na Equação 4 são obtidos através de dados conhecidos do aterro e de tabelas de valores do próprio IPCC. A variável
CODf é obtida através do
desenvolvimento abaixo, sendo considerado o T como temperatura (°C) na zona anaeróbia dos resíduos, estimada em 25°C. CODf=0,014.T+0,28=0,63
(5)
Após a realização dos cálculos com base no (IPCC, 1996), resultou-se o valor do volume de metano gerado em 279.339,04 m³CH4/ano, nos anos iniciais de implantação. Com isso, é possível realizar a estimativa da geração de energia que o sistema de aproveitamento energético poderá produzir no local. Para o cálculo da geração de energia elétrica, será utilizada a Equação 6. (6) O poder calorífico do metano (Pc) será considerado no valor de 35,53x106 (kcal/m³CH4), devido à temperatura de coleta do biogás. A variável S corresponde a uma relação de segundos/ano, ou seja, um ano corresponde a 31.536.000 segundos. Sendo assim, a potência disponível vai ser dada em (kW) e a vazão do metano por ano representada em Q. A eficiência de coleta dos gases (Ec) será estimada em 75%. Após a realização do cálculo acima, o possível potencial energético gerado nos primeiros anos através da produção do biogás obtida de aterro sanitário, resultando em
Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 189
aproximadamente 236,03 kW. Sua aplicação visa atender à crescente demanda de energia consumida, viabilizando o desenvolvimento sustentável e principalmente reduzir os gases do efeito estufa, dimensionando corretamente a disposição final dos dejetos.
CONCLUSÃO A partir das informações obtidas com o presente artigo, observou-se que o aumento da população e das atividades humanas no decorrer dos últimos anos, tem ocasionado um acréscimo na produção de resíduos, dificultando a disposição correta dos mesmos, podendo gerar problemas no meio ambiente. Dessa forma surge a necessidade de se desenvolver novos métodos de gestão eficiente para a destinação desses dejetos, e desenvolver o aproveitamento do potencial energético do biogás como fonte de geração de energia elétrica. Principalmente, para atender as novas necessidades da PNRS. Conclui-se que com os resultados obtidos, através de uma gestão eficiente dos resíduos sólidos urbanos o potencial energético resultante é apenas uma estimativa inicial do valor que possa vir a produzir, no qual tende a aumentar durante a disposição final dos dejetos. Com isso, resultando no aproveitamento do potencial energético do biogás e contribuindo com uma proposta de desenvolvimento sustentável, para produção de energia elétrica. Por fim, verificou-se que o volume de biogás é condizente com uma instalação de geração de energia elétrica sendo capaz de fornecer acima de 200 kW de potência instalada. Essa potência ao ser convertida em energia poderia suprir a necessidade de muitas residências interligadas ou a própria energia utilizada no aterro para seu funcionamento, dependendo das cargas e horários de ligação das mesmas. Para trabalhos futuros, serão realizados estudos de viabilidade econômica acerca da implantação de uma usina geradora de eletricidade.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de Energia Elétrica do Brasil – 3ª Edição. Brasília 2008. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EMPRESAS DE LIMPEZA PÚBLICA E RESÍDUOS ESPECIAIS - ABRELPE. Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil 2014. São Paulo. 120p. Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 190
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 10004 - Resíduos sólidos: Classificação. Rio de Janeiro, 2004. BARROS, Tiago F. Geração de energia elétrica com biogás gerado em aterro sanitário. 2013. 53f. Trabalho de Conclusão de Curso. Porto Alegre. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. FIGUEIREDO, N. J. V. Utilização de biogás de aterro sanitário para geração de energia elétrica – estudo de caso. São Paulo, 2011. ______. LEI 12.305/2010. Brasília, 2010. MENDES, Luiz G. G. Proposta de um sistema para aproveitamento energético de um aterro sanitário regional na cidade de Guaratinguetá. Guaratinguetá, 2005. OLIVEIRA, J. Relatório caracterização gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos domiciliares do município de Ijui/RS. Abril/2011. Secretaria Municipal de Meio Ambiente. Ijui.16 p. WOTTRICH, T. Educação ambiental como ferramenta para o uso racional de energia elétrica. Santa Maria, 2011. ZIRR, Guilherme. A geração de energia elétrica através do biogás de aterro sanitário controlado – estudo de caso. Ijuí, 2010.
Revista Interdisciplinar de Ensino, Pesquisa e Extensão vol. 4 n°1 191
