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Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos tecnológicos, ambientais e ecológicos

©2007 Masterarbeit 119 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe: Inhaltsverzeichnis:Índice:
1.Introdução17
1.1Objetivos18
2.Revisão de literatura18
2.1O „Pico de petróleo”18
2.2A mudança climática23
2.3A injustiça social e a degradação ambiental28
2.4A situação energética no Brasil30
2.5Biodiesel e a glicerina bruta32
2.6Usos alternativos da glicerina bruta - Compostagem37
2.7Biodigestão e produção de biogás40
3.Fundamentos da biodigestão41
3.1.1Breve histórico do biogás44
3.1.2Evolução dos estudos em biodigestão47
3.1.2.1Condução de experimentos na biodigestão50
3.1.2.2Modelos de biodigestores para biodigestão de resíduos orgânicos52
3.1.3Parâmetros do monitoramento do processo dabiodigestão53
3.2Problemas relacionados à secagem do cacau54
3.3Combustíveis tradicionais58
3.3.1Lenha58
3.3.1.1Aspectos energéticos da lenha58
3.3.1.2Emissões causadas pela lenha59
3.3.1.3Aspectos econômicos da lenha60
3.3.2GLP61
3.3.3Biogás62
3.3.4Consumo de combustíveis na cocção de alimentos63
4.Material e métodos64
4.1Delimitação da área e do objeto de estudo64
4.2Experimento da biodigestão65
4.2.1O biodigestor em escala de laboratório66
4.2.2Coleta e calibração do inóculo68
4.2.3Caracterização do estrume de gado69
4.2.4Tomada, preparação e análise das amostras69
4.2.5Análise físico-química do estrume de gado utilizado70
4.2.6Glicerina bruta70
4.2.7Determinação da quantidade de alimentação71
4.2.8Definição das quantidades de biogás esperadas72
4.2.9Partida do biodigestor72
4.2.10Alimentação dos biodigestores e retirada do efluente72
4.2.11Monitoramento dos biodigestores73
4.3Avaliação dos resultados74
4.4Análise energético-ambiental e econômica74
4.4.1Análise energético-ambiental75
4.4.1.1Lenha76
4.4.1.2GLP76
4.4.1.3Biogás77
4.4.1.4Uso de combustíveis na cocção78
4.4.2Análise econômica79
4.4.2.1Lenha79
4.4.2.2GLP79
4.4.2.3Biogás79
4.4.2.4Uso de combustíveis na cocção80
5.Resultados e discussão80
5.1Determinação teórica do volume de biogás produzido80
5.2Produção do biogás81
5.3Rendimento do biogás relacionado à matéria fresca adicionada82
5.3.1Rendimento do biogás relacionado à matéria secaadicionada84
5.3.2Rendimento do biogás relacionado aos compostos voláteis adicionados86
5.3.3Teor de metano88
5.4Avaliação energético-ambiental e econômica91
5.4.1Avaliação energética91
5.4.1.1Lenha92
5.4.1.2GLP92
5.4.1.3Biogás92
5.4.1.4Consumo de combustíveis na cocção de alimentos93
5.4.2Avaliação ambiental93
5.4.2.1Emissões causadas pela lenha93
5.4.2.2Emissões […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Sabine Robra
Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos tecnológicos, ambientais e
ecológicos
ISBN: 978-3-8366-0380-5
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2007
Zugl. Universidade Estadual de Santa Cruz ­ UESC, Ilheus, Brasilien, MA-Thesis /
Master, 2007
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Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2007
Printed in Germany

v
Agradecimento
A todos os membros e ex-membros do grupo de pesquisa Bioenergia e Meio
Ambiente da Universidade Estadual de Santa Cruz, coordenado pela Profª. Rosenira
Serpa da Cruz, por terem me recebido cordialmente e me ajudado muito durante
todo o tempo.
Á CAPES pelo financiamento deste estudo.
A minha família: minha mãe e meus filhos, pelo apoio.
Aos meus colegas e professores do curso de Mestrado em Desenvolvimento
Regional e Meio Ambiente, pela paciência e pela ajuda na língua até pouco tempo
difícil, e por terem compartilhado seus conhecimentos, durante todo o tempo do
curso.
Por fim faço um agradecimento especial à Prof
a
. Rosenira Serpa da Cruz e ao
Prof. José Adolfo de Almeida, por terem possibilitado minha vinda ao Brasil e à
UESC e pela chance de participar no Grupo Bioenergia e Meio Ambiente da UESC,
além de serem orientadores competentes e dedicados.

vi
Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos tecnológicos,
ambientais e ecológicos
Resumo
O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel do Ministério da Ciência e
Tecnologia traz a perspectiva de crescimento da oferta de glicerina gerada como co-
produto no processo de produção do biodiesel, levantando questões sobre
alternativas economicamente viáveis e ambientalmente corretas para a utilização
desta substância. Devido à sua composição rica em carbono de fácil degradação, a
glicerina possui propriedades favoráveis à co-digestão anaeróbica em biodigestores,
aproveitando resíduos orgânicos disponíveis regionalmente. A economia da região
Sul da Bahia está baseada na agropecuária e no turismo, sendo que, os resíduos
orgânicos gerados nestas atividades não têm sido aproveitados nem tratados
adequadamente, provocando poluição e desperdício de materiais e energia. Por
outro lado, muitos destes resíduos constituem-se em substratos apropriados para a
biodigestão. Neste trabalho foi projetado e construído um biodigestor em escala
laboratorial. Estudou-se, em sistema contínuo o potencial de produção de biogás da
glicerina bruta como co-substrato na biodigestão de estrume de gado, em
proporções de 5%, 10% e 15% m/m de glicerina bruta. O experimento foi conduzido
durante 72 dias. O processo foi avaliado do ponto de vista ambiental e econômico
tendo como base os parâmetros técnicos e econômicos do biodigestor da Fazenda
Cascata, município de Aureliano Leal, BA, e os resultados comparados com a lenha
e o gás liquefeito de petróleo (GLP), usados na secagem de cacau e o GLP na
cocção de alimentos. Através da adição de glicerina bruta ao estrume de gado
observou-se um aumento significativo nas quantidades de biogás produzidas por
unidade de compostos voláteis adicionada. Tendo com base a produção de biogás a
partir do estrume de gado, a adição de glicerina bruta elevou a produção de biogás
em 207%, 207% e 44% para 5%, 10%
e 15%
m/m de glicerina bruta,
respectivamente, bem como o teor de metano, em 9,5%, 14,3% e 14,6% para 5%,
10% e 15% m/m de glicerina bruta, respectivamente. O tratamento com a adição de
15% m/m de glicerina bruta foi interrompido antes do final do experimento devido à
um colapso do processo. A avaliação ambiental do biogás na secagem de cacau e
na cocção de alimentos foi realizada tendo como base a emissão comparativa de
gases estufa para os combustíveis lenha e GLP. A emissão específica foi de 2,3, e
65,7 kg CO
2eq
GJ
-1
, para a lenha e o GLP, respectivamente, enquanto para o biogás,
emissões negativas entre -186,1
kg
CO
2eq
GJ
-1
e -252
kg CO
2eq
GJ
-1
foram
calculadas, devido às emissões de metano evitadas pelo tratamento adequado do
estrume de gado através da biodigestão. A avaliação econômica seguiu o mesmo
procedimento de comparação adotado na análise ambiental. Neste caso, os custos
por GJ dos combustíveis foram de R$ 6,20 para a lenha, R$ 60,30 para o GLP e
R$ 34,70 para o biogás produzido a partir do estrume de gado. Com a adição da
glicerina bruta no substrato, os custos do biogás caíram para R$ 7,60 e R$ 6,30 para
o biogás com 5% e 10% m/m de glicerina bruta, respectivamente.
Palavras-chave: Biodigestão, biodiesel, estrume de bovinos, metano, energia
renovável

vii
Use of crude glycerine for biogas production
Abstract
The National Biodiesel Production & Use Program (PNPB), coordinated by the Min-
istry of Science and Technology, brings along the perspective of a growing offer of
glycerine, co-product of biodiesel production, raising questions about economically
and environmentally correct alternatives for the use of this substance. Due to its con-
tent of easily degradable carbon compounds, glycerine is suitable for anaerobic co-
digestion in biodigestors, together with regionally available organic residues. The
economy of South Bahia is based on agriculture and tourism, whose organic
residues currently do not undergo appropriate treatment, nor are otherwise approved
of, thus causing pollution and wasting of materials and energy. In many cases, these
residues are appropriate for biodigestion. This study focussed on the biodigestion in
laboratory continuous digesters, planned and constructed on-site. The substrates
studied were cattle slurry alone (control) and with addition of 5%, 10% and 15% m/m
glycerine as a co-substrate. The experiment was conducted for 72 days. The results
were evaluated from the environmental and economic point of view, based on the
technical and economic parameters of the Fazenda Cascata, in the county of Aureli-
ano Leal, Bahia, and compared with the alternatives firewood and liquefied petrol gas
(LPG) used in the drying of cocoa beans, and LPG for cooking purposes. The addi-
tion of glycerine caused a significant increase of the quantities of biogas, compared
to the control, of 207% (5% m/m glycerine), 207% (10% m/m glycerine) and 44.4%
(15% m/m glycerine), in relation to added volatile compounds. The methane content
increased by 9,5%, (5% m/m glycerine), 14,3% (10% m/m glycerine) and 14,6%
(15% m/m glycerine), compared to the control. The experiment with addition of
15% m/m glycerine had to be interrupted due to a breakdown of the anaerobic pro-
cess. The estimates of greenhouse gas emissions for the renewable firewood resul-
ted in 2,31 kg CO
2eq
GJ
-1
, whereas the greenhouse gas emissions for the fossil fuel
LPG were 65,74 kg CO
2eq
GJ
-1
. For biogas, negative emissions of -186,11 kg
CO
2eq
GJ
-1
and -252
kg CO
2eq
GJ
-1
were calculated, due to the prevention of green-
house gas emissions by the anaerobic treatment of the cattle slurry, according to the
conversion factors used. The costs for one GJ of the fuels compared in this study
were R$ 6,20 for firewood, R$ 60,30 for LPG, R$ 34,70 for biogas generated only
with cattle slurry, R$ 7,60 for biogas generated with addition of 5% m/m glycerine,
and R$ 6,30 for biogas generated with addition of 10% m/m glycerine.
Key words: Biodigestion, biodiesel, cattle slurry, methane, biogas, renewable energy.

viii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Teores de nutrientes no composto, segundo a percentagem de
glicerina
adotada ...40
Tabela 2 - Emissões de CO
2eq
por m³ de estrume de gado, durante 80 dias...47
Tabela 3 - Propriedades de lenha de diferentes procedências ...58
Tabela 4 - Proporções de estrume e de glicerina usadas no experimento da
biodigestão ...66
Tabela 5 - Características químicas do inoculo utilizado no processo de
biodigestão ...68
Tabela 6 - Valores de alguns parâmetros físico-químicos encontrados para o
estrume de gado da Fazenda Cascata em comparação com valores
da
literatura ...69
Tabela 7 - Quantidades médias de MF, MS e CV adicionadas diariamente aos
biodigestores ...72
Tabela 8 - Parâmetros das emissões do GLP P-13 ...77
Tabela 9 - Rendimentos teóricos de biogás do estrume de gado e da
glicerina bruta, em mL por g de CV adicionado...80
Tabela 10 - Quantidades teóricas de biogás ...81
Tabela 11 - Comparação do rendimento de biogás por unidade de massa de CV
adicionado para o estrume de gado ...88
Tabela 12 - Teores de metano para os tratamentos com base em três cenários
de
referência ...90
Tabela 13 - Emissões de GEE (CO
2eq
) na combustão de lenha utilizada na
secagem de uma tonelada de amêndoas de cacau ...94
Tabela 14 - Emissões de CO
2eq
por tonelada de cacau provocadas ao longo do
ciclo de vida do GLP na secagem artificial do cacau ...94
Tabela 15 - Custos estimados para secagem de uma tonelada de cacau
com lenha (5 m³ de lenha)...97
Tabela 16 - Estimativa dos custos da energia gerada através da lenha ...98
Tabela 17 - Custos associados à secagem de cacau, usando GLP ...98
Tabela 18 - Custos fixos do biodigestor na Fazenda Cascata ...99
Tabela 19 - Custos da produção de 1,0 GJ de biogás ...100
Tabela 20 - Custos da secagem por tonelada de cacau usando biogás de
estrume bovino sem e com a adição de 5% e 10% m/m de glicerina ..100
Tabela 21 - Comparação da demanda dos combustíveis usados na secagem do
cacau...102
Tabela 22 - Consumo e gastos com GLP e biogás, para cocção...102

ix
Lista de Figuras
Figura 1 - Previsões do pico da produção mundial de petróleo...22
Figura 2 - A ação dos gases causadores de efeito estufa na atmosfera. ...24
Figura 3 - Emissões de carbono no mundo no ano de 1999 ...28
Figura 4 - Montagem das pilhas de composto (esquerda) e pilhas
compostadas
(direita)...39
Figura 5 - Passos e grupos de bactérias envolvidas na biodigestão de matéria-
orgânica...42
Figura 6 - Localização geográfica da unidade participante no estudo...64
Figura 7 - Biodigestor em laboratório tipo UASB. ...66
Figura 8 - Medidor de biogás...67
Figura 9 - Amostras de estrume de gado. ...70
Figura 10 - Fluxograma simplificado da determinação dos custos,
das quantidades de combustíveis e de emissões na secagem
de cacau e na cocção doméstica. ...75
Figura 11 - Valores absolutos e diferenças entre as emissões fugitivas de metano
(%) para o estrume de gado bovino da Fazenda Cascata tratado
através da biodigestão e sem tratamento, com base em diferentes
estimativas
de emissão. ...95

x
Lista de Quadros
Quadro 1 - GWP direto de alguns gases efeito estufa ...25
Quadro 2 - Composição típica do biogás ...43
Quadro 3 - Reações típicas e energia livre dentro de um biodigestor...44
Quadro 4 - Propriedades do GLP...62
Quadro 5 - Plano de análises conduzidas...73

xi
Lista de Gráficos
Gráfico 1 - Evolução do consumo de petróleo de 1905 a 2005 ...19
Gráfico 2 - Desenvolvimento do consumo de petróleo na Ásia,
América Latina e na África, em relação ao mundo...19
Gráfico 3 - Consumo de petróleo nas cinco maiores economias mundiais,
de 1970 a 2005 ...20
Gráfico 4 - Curvas de Hubbert de vários países produtores de petróleo ...23
Gráfico 5 - Emissões globais de carbono a partir de 1751...26
Gráfico 6 - Principais responsáveis pela emissão de gases estufa ...28
Gráfico 7 - Matriz energética do Brasil em 2005 ...31
Gráfico 8 - Usos da glicerina na Europa ocidental em 1997 ...33
Gráfico 9 - Origem da glicerina pela fonte...34
Gráfico 10 - Composição das pilhas de composto em % m/m ...38
Gráfico 11 - Evolução das temperaturas durante o processo da compostagem
para diferentes percentagens de glicerina bruta adicionada. ...39
Gráfico 12 - Relação entre teor de umidade e PCI, na lenha...59
Gráfico 13 - Produção de derivados de petróleo na Bahia, no ano 2006 ...61
Gráfico 14 - Relação do poder calorífico com o teor de metano no biogás...63
Gráfico 15 - Composição típica da glicerina obtida na produção do biodiesel ...71
Gráfico 16 - Médias semanais da produção de biogás por g de MF adicionado. ...81
Gráfico 17 - Comparação do rendimento de biogás por tratamentos e unidade de
massa de MF adicionada ...84
Gráfico 18 - Comparação do rendimento de biogás por tratamento e unidade de
massa de MS adicionada. ...85
Gráfico 19 - Comparação do rendimento de biogás por tratamentos e unidade de
massa de CV adicionada...86
Gráfico 20 - Áreas de metano medidas durante o experimento, para o controle
e os três tratamentos com glicerina...89
Gráfico 21 - Valores de metano relativos ao controle.Quantidades de metano ...89
Gráfico 22 - Quantidades de metano geradas nos cenários C1, C2 e C3
por
massa
adicionada de CV. ...91
Gráfico 23 - Quantidades de biogás necessárias para substituir 5 m³ de lenha,
baseado nos valores calculados para o cenário 2 (C-2). ...93
Gráfico 24 - Comparação de emissões de GEE dos combustíveis lenha, GLP e
biogás...97
Gráfico 25 - Análise de sensibilidade dos custos da glicerina bruta...101

xii
Lista de acrônimos
A
Área (Recomendações da IUPAC (1992) para a nomenclatura da
cromatografia.)
AbfAblV
Portaria sobre a deposição de resíduos
(Abfallablagerungsverordnung, Lei alemã para deposição de
resíduos)
AGVs
Ácidos Graxos Voláteis
ANP
Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
A.O.A.C.
Associacão dos químicos analíticos oficiais (Association of Official
Analytical Chemists)
APL
Arranjo produtivo local
ARF
Associações de Reposição Florestal
B2
Mistura de 2% de biodiesel ao diesel comum
B5
Mistura de 5% de biodiesel ao diesel comum
CDIAC
Centro de análise de informações sobre dióxido de carbono (Carbon
Dioxide Information Analysis Center)
CNUMAD
Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e
Desenvolvimento
CSTRs
Reatores com sistema de agitação contínuo (Continuously Stirred
Tank Reactors)
CV Compostos
Voláteis
CO
2eq
CO
2
equivalente - é a unidade utilizada para medir as emissões de
gases estufa, convertendo o potencial estufa do CH4 e do N2O em
potencial estufa equivalente do gás carbônico (CO2).
DBO
Demanda biológica de oxigênio
DL Desenvolvimento
Limpo
DOE
Departamento de Petróleo e Energia dos Estados Unidos
(Department of Oil and Energy)
DQO
Demanda Química de Oxigênio
DS Desenvolvimento
Sustentável
Fob
Free on board
GEE
Gases do Efeito Estufa
GWP
Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential)
HFC Hidrofluorcarbonos
IBD
Instituto Biodinâmico de Desenvolvimento Rural
IC Implementação
Conjunta
IEA
Agência Internacional de Energia (International Energy Agency)

xiii
IPCC Quadro
Intergovernamental sobre Mudanças do Clima
(Intergovernmental Panel on Climate Change)
IUCN
União de Conservacão Global (The World Conservation Union)
IUPAC
União Internacional de Química Pura e Aplicada (International Union
of Pure and Applied Chemistry)
MCT
Ministério de Ciência e Tecnologia
mbd
milhões de barris por dia
MDL
Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MF Matéria
Fresca
MO Matéria
Orgânica
MS Matéria
Seca
Mtoe
Equivalente de um milhão de toneladas de petróleo (Million ton oil
equivalent ­ 1 Mtoe = 41.868 PJ)
OGR
Óleos e Gorduras Residuais
OIE
Oferta Interna de Energia
OPEP
Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Organization of
Oil Exporting Countries)
PCI
Poder Calorífico Inferior
PFC Perfluorcarbonos
ppm
partes por milhão em volume (unidade de concentração de gases na
atmosfera)
SF6 Hexafluoreto
SV Sólidos
Voláteis
tep
tonelada equivalente de petróleo
UASB
Fluxo Ascendente em Leito de Lodo (Upflow Anaerobic Sludge Bed)
UE União
Européia
UNEP
Programa de Desenvolvimento das Nações Unidas (United Nations
Environment Program)
USEPA
Agência de Proteção do Meio Ambiente dos Estados Unidos (United
States Environment Protection Agency)
WSSD
Cúpula Mundial sobre o Desenvolvimento Sustentável (World
Summit on Sustainable Development)
WWF
Fundo Mundial de Proteção de Natureza (World Wide Fund for
Nature)

14
Sumário
1.
Introdução...17
1.1.
Objetivos ...18
2.
Revisão de literatura ...18
2.1.
O "Pico de petróleo" ...18
2.2.
A mudança climática ...23
2.3.
A injustiça social e a degradação ambiental ...28
2.4.
A situação energética no Brasil...30
2.5.
Biodiesel e a glicerina bruta ...32
2.6.
Usos alternativos da glicerina bruta - Compostagem...37
2.7.
Biodigestão e produção de biogás...40
3.
Fundamentos da biodigestão...41
3.1.1.
Breve histórico do biogás ...44
3.1.2.
Evolução dos estudos em biodigestão ...47
3.1.2.1. Condução de experimentos na biodigestão
50
3.1.2.2. Modelos de biodigestores para biodigestão de resíduos
orgânicos
52
3.1.3.
Parâmetros do monitoramento do processo da biodigestão ...53
3.2.
Problemas relacionados à secagem do cacau...54
3.3.
Combustíveis tradicionais ...58
3.3.1.
Lenha ...58
3.3.1.1. Aspectos energéticos da lenha
58
3.3.1.2. Emissões causadas pela lenha
59
3.3.1.3. Aspectos econômicos da lenha
60
3.3.2.
GLP ...61
3.3.3.
Biogás ...62
3.3.4.
Consumo de combustíveis na cocção de alimentos...63
4.
Material e métodos ...64
4.1.
Delimitação da área e do objeto de estudo...64
4.2.
Experimento da biodigestão...65
4.2.1.
O biodigestor em escala de laboratório...66
4.2.2.
Coleta e calibração do inóculo ...68
4.2.3.
Caracterização do estrume de gado ...69
4.2.4.
Tomada, preparação e análise das amostras ...69
4.2.5.
Análise físico-química do estrume de gado utilizado...70

15
4.2.6.
Glicerina bruta ...70
4.2.7.
Determinação da quantidade de alimentação ...71
4.2.8.
Definição das quantidades de biogás esperadas ...72
4.2.9.
Partida do biodigestor ...72
4.2.10.
Alimentação dos biodigestores e retirada do efluente...72
4.2.11.
Monitoramento dos biodigestores ...73
4.3.
Avaliação dos resultados ...74
4.4.
Análise energético-ambiental e econômica...74
4.4.1.
Análise energético-ambiental ...75
4.4.1.1. Lenha 76
4.4.1.2. GLP 76
4.4.1.3. Biogás 77
4.4.1.4. Uso de combustíveis na cocção
78
4.4.2.
Análise econômica ...79
4.4.2.1. Lenha 79
4.4.2.2. GLP 79
4.4.2.3. Biogás 79
4.4.2.4. Uso de combustíveis na cocção
80
5.
Resultados e discussão ...80
5.1.
Determinação teórica do volume de biogás produzido ...80
5.2.
Produção do biogás ...81
5.3.
Rendimento do biogás relacionado à matéria fresca adicionada...82
5.3.1.
Rendimento do biogás relacionado à matéria seca adicionada ...84
5.3.2.
Rendimento do biogás relacionado aos compostos voláteis
. adicionados ...86
5.3.3.
Teor de metano ...88
5.4.
Avaliação energético-ambiental e econômica...91
5.4.1.
Avaliação energética ...91
5.4.1.1. Lenha 92
5.4.1.2. GLP 92
5.4.1.3. Biogás 92
5.4.1.4. Consumo de combustíveis na cocção de alimentos
93
5.4.2.
Avaliação ambiental ...93
5.4.2.1. Emissões causadas pela lenha
93
5.4.2.2. Emissões causadas pelo GLP
94

16
5.4.2.3. Emissões relacionadas à produção do biogás
95
5.4.2.4. Comparação dos três combustíveis
96
5.4.3.
Avaliação econômica ...97
5.4.3.1. Estimativa dos custos de secagem utilizando lenha
97
5.4.3.2. Estimativa dos custos de secagem utilizando GLP
98
5.4.3.3. Estimativas dos custos de secagem utilizando biogás
99
5.4.3.4. Efeitos da glicerina bruta
100
5.4.3.5. Comparação dos três combustíveis
101
6.
Conclusões e perspectivas ...103

17
1. Introdução
A humanidade enfrenta hoje três grandes problemas, a futura escassez de
petróleo, o aquecimento global e a pobreza relativa de grande parte da população, ou
seja, a desigualdade social. Visando combater estes problemas o governo brasileiro
lançou o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel, que prevê o aumento
gradual da mistura de biodiesel no diesel nacional a partir do ano de 2006, tornando-
se obrigatório o percentual de 5% de mistura a partir de 2013, gerando uma demanda
estimada em 2 bilhões de litros de biodiesel. Uma vez que para cada 100 litros de
biodiesel são produzidos cerca de 10 kg de glicerina bruta, espera-se que a oferta
futura de glicerina irá crescer rapidamente, o que levanta questões sobre a
necessidade de alternativas para o aproveitamento economicamente viável e
ambientalmente sustentável deste co-produto do processo de produção do biodiesel,
uma vez que o mercado atual da glicerina não poderá absorver esta oferta adicional,
mesmo considerando as novas aplicações.
Por outro lado, os resíduos orgânicos, sejam eles líquidos ou sólidos, não têm
sido tratados adequadamente, constituindo-se num problema de saúde pública, com
reflexos negativos na qualidade ambiental local e global, e ainda representando um
desperdício energético e nutricional.
Observa-se ainda, no interior do Brasil, um elevado consumo de lenha para
cocção de alimentos e secagem de produtos agrícolas. Apesar de se tratar de um
combustível renovável, quando a sua utilização está baseada na exploração de
florestas naturais e não é acompanhada da reposição de árvores, a atividade pode
provocar desmatamentos e colaborar na emissão de gases estufa.
O GLP, de uso comum na cocção de alimentos, pode ser usado também na
secagem de produtos agrícolas, devido, especialmente, ao seu elevado poder
calorífico e por proporcionar um manuseio limpo e prático. Por outro lado, apresenta
um alto custo relativo, e, por se tratar de um combustível de origem fóssil, provoca a
emissão do gás estufa, CO
2
, na sua combustão.
A biodigestão anaeróbica é um tratamento de resíduos orgânicos que pode ainda
proporcionar o aproveitamento energético destes resíduos através da recuperação
do biogás, podendo ser usado como fonte primária de energia na geração de calor

18
e, ou eletricidade em nível descentralizado. A glicerina bruta, oriunda da produção
de biodiesel, se não destinada adequadamente, poderá se constituir num grande
problema ambiental. Por outro lado, as suas características físico-químicas
demonstram o seu elevado conteúdo energético e sua adequação para a co-
digestão com outros tipos de resíduos orgânicos com uma relação C:N menor.
1.1. Objetivos
O objetivo principal deste trabalho foi estudar os parâmetros de processo e a
quantidade e qualidade do biogás produzido a partir da co-digestão da glicerina bruta
oriunda da produção de biodiesel em associação com o estrume de gado.
Os objetivos específicos foram:
· Caracterizar
físico-quimicamente o estrume de gado produzido na
Fazenda Cascata, Aureliano Leal, Bahia;
· Caracterizar e avaliar o potencial da glicerina bruta na produção de
biogás, adicionada em diferentes proporções ao estrume de gado;
· Projetar, construir e operar um biodigestor em escala laboratorial;
· Otimizar as variáveis: temperatura, carga, tempo de residência e
proporção dos substratos;
· Avaliar a eficiência energética do processo (balanço energético) e o
potencial de mitigação de gases causadores do efeito estufa.
2. Revisão de literatura
2.1.
O "Pico de petróleo"
O século 20 foi marcado pelo petróleo. Sendo um combustível barato e abundante,
o petróleo incentivou a expansão da indústria e do setor de transporte, baseados na
combustão de derivados fósseis.

19
1905
1925
1945
1955
1965
1975
1985
1995
2005
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
mmb.d
-1
ano
Gráfico 1 - Evolução do consumo de petróleo de 1905 a 2005
(Fonte: Simmons, 2005, citado por Puplava, 2005).
Desde início do século 20 o setor petrolífero cresceu ano a ano em 87 anos dos
últimos 100 (Gráfico 1). No início deste século a demanda mundial de petróleo
cresceu acima de 2% ao ano, sendo os países industrializados, que representam 20%
da população mundial, responsáveis pelo consumo de cerca de 60% da produção
mundial. Só nos EUA, a maior economia do mundo, são consumidos cerca de 25% da
produção mundial de petróleo, enquanto nos outros 80% da população cresce a
dependência desta matéria-prima. Desde 1985, por exemplo, o consumo de petróleo
subiu 51% na América Latina, 58% na África e 123% na Ásia (Gráfico 2).
1
98
5
1
98
6
1
98
7
1
98
8
1
98
9
1
99
0
1
99
1
1
99
2
1
99
3
1
99
4
1
99
5
1
99
6
1
99
7
1
99
8
1
99
9
2
00
0
2
00
1
2
00
2
2
00
3
2
00
5
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
África
América Latina
Ásia e Pacífico
Mundo total
Mtoe
Ano
Gráfico 2 - Desenvolvimento do consumo de petróleo na Ásia,
América Latina e na África, em relação ao mundo
(Fonte: BP, 2006).

20
A dependência de uma única fonte primária de energia, principalmente no que se
refere aos combustíveis líquidos utilizados no acionamento de motores de combustão
interna como a gasolina e o diesel, conduziu a economia mundial à primeira e maior
crise de petróleo a partir do final do ano 1973.
Recentemente, por motivos políticos, a OPEP (OPEC) reduziu a quantidade de
petróleo extraído em 5%, provocando uma rápida e, até aquele momento, inédita
subida no preço do petróleo e de seus derivados. A crise de petróleo de 1973
revelou o despreparo e a vulnerabilidade dos estados industrializados e sua
dependência de fontes fósseis de energia.
Surgiram, em conseqüência, além de medidas governamentais para economizar
energia, esforços para reduzir a dependência do petróleo através de incentivos e
pesquisas voltadas para as áreas de energia nuclear e de energias renováveis.
Combustíveis alternativos como o etanol, os óleos vegetais e, mais recentemente, o
biodiesel, têm ganhado cada vez mais espaço na matriz energética mundial.
Outras áreas que receberam incentivos a partir da crise de 73 foram a melhoria
do isolamento de casas e prédios e o aumento da eficiência de motores e de
sistemas de aquecimento.
Após a crise, apesar da consciência da população nos países industrializados em
economizar energia ter permanecido, a demanda de petróleo nesses paises, principal-
mente pelo setor de transporte, continuou crescendo, mantendo alto o nível de impor-
tações dessa matéria-prima, principalmente do oriente médio (EIA, 2005, Gráfico 3).
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
197
0
197
1
197
2
197
3
197
4
197
5
197
6
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7
197
8
197
9
198
0
198
1
198
2
198
3
198
4
198
5
198
6
198
7
198
8
198
9
199
0
199
1
199
2
199
3
199
4
199
5
199
6
199
7
199
8
199
9
200
0
200
1
200
2
200
5
Ano
m io t
EU
Japão
Alemanha
França
Reino Unido
Gráfico 3 - Consumo de petróleo nas cinco maiores economias
mundiais, de 1970 a 2005
(Fonte: BP, 2006).

21
Apesar da crise aguda do petróleo ter durado poucos anos, o seu patamar de
preços médios tem se elevado desde então, devido principalmente às crises políticas.
Em 29 de agosto de 2005, o furacão Katrina atingiu a área de produção de petróleo no
golfo de México e prejudicou gravemente a indústria petrolífera nos EUA. Em seguida,
os preços internacionais do petróleo subiram para o patamar de US$ 70. A
repercussão destes acontecimentos regionais sobre a economia mundial comprovou
mais uma vez a alta dependência do petróleo (S
IMMONS
, 2005).
Contrariando as previsões da indústria petrolífera, que não vê escassez no curto e
médio prazo, em fevereiro 2004 um grupo dos melhores analistas de energia dos EUA
insinuou que a Arábia Saudita, maior produtor de petróleo do mundo, pode estar vi-
vendo a depleção do seu maior campo petrolífero e não possa manter a produção a-
tual de 10 milhões de barris por dia (mbd) por muito mais tempo além dessa década.
As análises revelam a fragilidade da matriz energética mundial, que pode ser desesta-
bilizada pela redução na produção de um único país e não está preparada para acom-
panhar o crescimento da economia mundial em bases sustentáveis (Klare, 2004).
O termo "pico de petróleo" foi primeiro aplicado pelo geólogo americano da Shell,
M. King Hubbert, nos anos 50 do século passado, quando ele descreveu a
descoberta e a extração de petróleo como uma função em forma de sino (S
AVINAR
,
2005). Segundo Hubbert, a taxa em que o petróleo pode ser extraído de um poço
cresce até atingir um máximo, caindo gradualmente até zero. De maneira
simplificada, isso significa que, se o pico de petróleo estivesse no ano 2000, a
produção mundial de petróleo no ano 2020 e 1980 seriam equivalentes.
Hubbert previu em 1956, com alta precisão, o pico da extração nos EUA para o
ano 1970, e o pico mundial para o ano 1995. Isso teria acontecido se não houvesse
tido uma diminuição do consumo motivado pela retração na economia mundial na
década de 70, retardando o pico de petróleo mundial entre 10 e 15 anos (Gráfico 4).
Hoje, o pico de Hubbert, que também se aplica às descobertas de novos campos de
petróleo, está comprovado empiricamente e reconhecido pela IEA (S
CHINDLER
;
Z
ITTEL
, 2000).

22
B akhtiari
Simmons
Skrebowski
Deff eyes
Goodstein
World Energy Council
Laherrere
CERA
Campbell
EIA , (nominal)
Shell
Lynch
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
Bakhtiari
2006 - 2007
Simmons
2007 - 2009
Skrebowski
após 2007
Deffeyes
antes de 2009
Goodstein
antes de 2009
Campbell
cerca de 2010
Laherrere
2010 - 2020
EIA
2016
CERA
após 2020
Shell
2025 ou
posteriormente
Lynch
nenhum pico
previsível
?
World Energy
Council
após 2010
ano
B akhtiari
Simmons
Skrebowski
Deff eyes
Goodstein
World Energy Council
Laherrere
CERA
Campbell
EIA , (nominal)
Shell
Lynch
1990
2000
2010
2020
2030
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Bakhtiari
2006 - 2007
Simmons
2007 - 2009
Skrebowski
após 2007
Deffeyes
antes de 2009
Goodstein
antes de 2009
Campbell
cerca de 2010
Laherrere
2010 - 2020
EIA
2016
CERA
após 2020
Shell
2025 ou
posteriormente
Lynch
nenhum pico
previsível
?
World Energy
Council
após 2010
B akhtiari
Simmons
Skrebowski
Deff eyes
Goodstein
World Energy Council
Laherrere
CERA
Campbell
EIA , (nominal)
Shell
Lynch
1990
2000
2010
2020
2030
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2060
Bakhtiari
2006 - 2007
Simmons
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Skrebowski
após 2007
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antes de 2009
Goodstein
antes de 2009
Campbell
cerca de 2010
Laherrere
2010 - 2020
EIA
2016
CERA
após 2020
Shell
2025 ou
posteriormente
Lynch
nenhum pico
previsível
?
World Energy
Council
após 2010
ano
Figura 1 - Previsões do pico da produção mundial de petróleo
(Fonte: adaptado de Hirsch et al. 2005).
O pico de produção de petróleo mundial tem sido discutido com muita polêmica,
porém, a maior parte dos estudos concorda que ele deve acontecer dentro de um
prazo de 20 anos (Figura 1). A maior parte dos países fora da OPEP (OPEC) já
ultrapassou os picos da produção de petróleo convencional, ou vai ultrapassar em
breve, como mostra o Gráfico 4.
Um dos estudos previu para o ano de 2020 um déficit de 19,1 milhões de barris
na produção diária de petróleo, o que corresponde a 17% ou um quarto da atual
produção mundial. A IEA denomina isso "Balancing Item ­ Unidentified Unconventi-
onal Oil" (Ítem balançado ­ Petróleo não convencional e não identificado), que signi-
fica, na realidade, que não se sabe ainda de onde estes 17% em petróleo necessá-
rios para atender à demanda em 2020 virão (S
CHINDLER
; Z
ITTEL
, 2000).

23
Gráfico 4 - Curvas de Hubbert de vários países produtores de petróleo
(Fonte: ASPO, 2005).
A previsível escassez do petróleo terá efeitos diretos sobre as áreas mais
importantes de economia mundial, como os setores de transporte, de energia, da agri-
cultura e da indústria. Como medida preventiva os paradigmas de uma economia
apoiada no petróleo devem sofrer uma mudança fundamental.
Para se evitar um choque súbito e radical existem várias propostas, dentre elas o
protocolo de Rimini (também chamado de protocolo de Uppsala) do geólogo
americano Colin J. Campbell (T
HE
R
IMINI
P
ROTOCOL
,
2003), que sugere que os
principais países importadores de petróleo reduzam suas importações na medida em
que as reservas mundiais de petróleo declinem, o que conduziria a preços de
petróleo mais estáveis com base nos custos de extração. Deste modo, as
economias dos países em desenvolvimento também teriam a chance de usar o
petróleo no desenvolvimento de suas economias.
O pico de petróleo indica um ponto de inflexão para a humanidade, encerrando
uma fase de aproximadamente 100 anos de crescimento fácil, apoiado no petróleo,
que necessita neste momento priorizar mudanças na direção da auto-suficiência
energética e de uma matriz energética sustentável.
2.2. A
mudança
climática
A emissão de radiação eletromagnética pelo sol fornece energia na Terra,
principalmente em forma de luz visível. Segundo Tolentino e Rocha-Filho (1998),

24
cerca de 70% dessa radiação é absorvida, sendo 19% pela atmosfera e 51% pela
superfície, com predominância de calor, um dos pré-requisitos principais para
existência de vida na terra. Nas temperaturas terrestres, as emissões da radiação
eletromagnética ocorrem, principalmente, na faixa do infravermelho (entre 3 µm e 100
µm), também chamada radiação térmica.
Radiação
infra-
vermelha
Radiação
Absorpção
Refleção
Radiação da
superfície da
terra
Absorpção
Processos
atmosféricos
Gáses efeito estufa
Efeito
estufa
Radiação
infra-
vermelha
Radiação
Absorpção
Refleção
Radiação da
superfície da
terra
Absorpção
Processos
atmosféricos
Gáses efeito estufa
Efeito
estufa
Figura 2 - A ação dos gases causadores de efeito estufa na atmosfera.
(Fonte: adaptado de (Schneider, apud Digitale Schule Bayern, 2006).
O vapor de água e os gases como CH
4
, CO
2
e N
2
O presentes na atmosfera,
permitem, por um lado, a entrada da radiação eletromagnética do sol, que atinge
parcialmente a superfície da Terra. Por outro lado, estes gases, ativos no
infravermelho, absorvem e emitem uma parte significativa da radiação infravermelha,
que retorna à superfície terrestre provocando um aumento adicional da temperatura
terrestre (Figura 2).

25
Embora o mecanismo físico-químico seja diferente daquele observado em estufas
de vidro para cultivo de plantas, o resultado, ou seja, o aquecimento do ambiente é
similar e, conseqüentemente, o fenômeno foi chamado pelos seus descobridores de
efeito estufa e os gases provocadores do efeito, de gases do efeito estufa (GEE). O
aumento do teor desses gases na atmosfera, seja de origem antrópica ou natural,
pode causar um aumento do efeito estufa e, conseqüentemente, uma subida da
temperatura média da Terra (M
AX
PI
ANCK
I
NSTITUT
FÜR
M
ETEOROLOGIE
, 2006).
O GWP
1
foi definido nos relatórios do IPCC de 1992 para comparar
simultaneamente as emissões de diferentes gases com potenciais de aquecimento
diferentes. O GWP é o equivalente, em massa, do potencial de aquecimento global
dos gases estufa. Definiu-se o potencial de aquecimento global em relação a um gás
de referência (CO
2
), sob um específico horizonte temporal (o mais usado é 100
anos). O Quadro 1 apresenta os principais GEE, suas fontes, o histórico de suas
emissões, seu GWP e as participações individuais nas emissões totais de GEE.
Gás
Fontes
Evolução das emissões desde o final
dos anos 80
GWP-100a GEE
1990
Anexo I (%)b
CO
2
Combustíveis fósseis,
indústria de cimento
UE: estático
OECD outros: aumento
Países da Europa oriental: diminuição
saliente.
1 81,2
CH
4
Cultivo de arroz, pecuária, uso
da biomassa, produção de
combustíveis fósseis.
Diminuição na maioria dos países,
aumento saliente em Noruega, Canadá,
EUA.
21 13,7
N
2
O
Fertilizante, combustão de
energia fóssil, mudança do uso
da terra.
Aumento menor em vários países,
Países da Europa oriental: diminuição.
310 4,0
HFCs agente criogênico.
Aumento significativo
(Substituto para CFCs).
140 -
11.700
c
0,56
PFCs Alumínio, proteção contra fogo,
solvente, indústria elétrica.
estático,
UE: diminuição.
Ø 6.700
e
0,29
SF
6
Indústria elétrica, isolamentos.
Aumento na maioria dos países.
23.900
0,30
Quadro 1 - GWP direto de alguns gases efeito estufa
(Fonte: IPCC, 2001:
a
Potencial efeito estufa para um prazo de 100 anos;
b
Participação das emissões dos diferentes GEE nas emissões totais dos
paises do Anexo I em 1990, ponderadas com o C;
c
o HFC 134ª, o mais
comum, tem um GWP-100 de 1.300.;
d
CF4 com 6.500 e C2F6 com 9.200.)
O gás estufa mais importante, pela magnitude da sua participação, é o dióxido de
carbono (CO
2
), e, portanto, serve como referência nos cálculos, permitindo, assim, a
determinação da importância relativa das emissões de diferentes gases. O CO
2
1
Potencial de aquecimento global, do inglês GWP = Global Warming Potencial.

26
equivalente, em seguida citado como "CO
2eq
2
", é uma medida métrica utilizada para
comparar as emissões de vários GEE, baseado no GWP de cada um. O CO
2eq
é o
resultado da multiplicação das toneladas emitidas do GEE pelo seu potencial de aque-
cimento global. Por exemplo, o potencial de aquecimento global do gás metano é 21
vezes maior do que o potencial do CO
2
, ou seja, o CO
2
equivalente do metano é igual
a 21 (M
EIRA
; G
ONZALEZ
, 2000; EIA, 2003).
No Quadro 1 pode-se observar que o dióxido de carbono contribui com cerca de
80% para o efeito estufa. Este efeito se potencializa na medida em que o CO
2
possui
um tempo de residência elevado na atmosfera terrestre.
Total
Petróleo
Carvão
Gás natural
Produção de cimento
10
6
t a
-1
Total
Petróleo
Carvão
Gás natural
Produção de cimento
10
6
t a
-1
Gráfico 5 - Emissões globais de carbono a partir de 1751
(Fonte: CDIAC, 2006).
O gás carbônico liberado na atmosfera a partir da oxidação do carbono presente na
matéria-orgânica é, novamente, absorvido pelas plantas através da fotossíntese e
transformado em biomassa. O petróleo que o mundo consumiu em apenas 100 anos,
ou seja, a partir do século passado até agora, se formou, segundo as teorias atuais,
entre 100 ­ 400 milhões de anos atrás a partir de biomassa aquática e das zonas lito-
râneas. Para a formação do petróleo foram, então, retiradas quantidades gigantescas
de CO
2
da atmosfera e fixados, através da fotossíntese, em compostos de carbono. O
2
CO
2eq.
é a unidade utilizada para medir as emissões de gases estufa, convertendo o potencial estufa
do CH
4
e do N
2
O em potencial estufa equivalente do gás carbônico (CO
2
).

27
Gráfico 5 mostra que, com a queima de combustíveis fósseis
3
, já foi emitido boa parte
deste carbono armazenando ao longo de milhões de anos, significativamente mais do
que pode ser seqüestrado, neste prazo, pela vegetação e outros abatimentos naturais.
Conseqüentemente, a concentração do CO
2
na atmosfera vem aumentando. Os
níveis de dióxido de carbono (CO
2
) na atmosfera aumentaram em 30% desde o
período que antecede a Revolução Industrial. O teor de metano (CH
4
) aumentou, no
mesmo período, em 120%, e o do N
2
O em 10% (M
AX
P
LANCK
I
NSTITUT FÜR
M
ETEOROLOGIE
, 2006).
O aquecimento global é um fenômeno observado recentemente e pode levar às
mudanças do clima em escala continental e, conseqüentemente, regional. Porém,
não existem previsões cientificamente comprovadas com respeito às conseqüências
do aquecimento global sobre o clima. Grande dúvida existe ainda sobre a
comprovação científica da correlação entre os efeitos das variações climáticas e o
do aumento da concentração dos GEE na atmosfera, bem como, sobre a fronteira
entre as mudanças climáticas induzidas pelas atividades humanas daquelas
provenientes de causas naturais. A questão é difícil de ser compreendida por sua
complexidade científica e pela falta de dados, devido ao comparativamente curto
prazo de 150 anos da queima intensiva de energia e da subseqüente emissão de
CO
2
proveniente de fontes fósseis.
Mesmo assim, existe uma grande variedade de teorias indicando que o efeito
estufa pode causar sérias conseqüências sobre o clima mundial (e também regional)
(B
AKAN
; R
ASCHKE
, 2002). Segundo teorias recentes, as grandes catástrofes naturais
ocorridas na década passada como: enchentes, furacões, estiagens etc., podem ser
entendidas como conseqüências do aquecimento global. Como exemplo pode-se
citar a projeção que indica que na década de 40, deste século, mais da metade dos
verões será mais quente do que o verão de 2003 na Europa, que, devido às altas
temperaturas médias, levou à morte de milhares de pessoas e à ocorrência de
incêndios florestais devastadores (S
COTT
et al., 2004). Esta ameaça pode ser
entendida como conseqüência do uso exagerado de fontes fósseis de energia nos
países industrializados. Nestes países, segundo P
ARIKH
(2003), são emitidos 70% do
3
além do petróleo, são também relevantes o carvão e o gás natural.

28
dióxido de carbono (CO
2
). A Figura 3 mostra a distribuição das emissões mundiais
deste gás no ano 1999.
Figura 3 - Emissões de carbono no mundo no ano de 1999
(Fonte: World Bank Group, 2005).
Os setores de energia e transporte são responsáveis por cerca de 50% da
emissões de GEE (Gráfico 6). A substituição da energia fóssil por fontes renováveis
pode, portanto, contribuir para a estabilização da concentração dos GEE, e
conseqüentemente, reduzir a probabilidade de alterações climáticas provocadas pelo
efeito estufa (B
ÖHM
, 2003).
Agricultura e outros
15%
Energia, Transportes
50%
Produtos químicos
20%
Degradação
florestal
15%
Gráfico 6 - Principais responsáveis pela emissão de gases estufa
(Fonte: adaptado de Böhm, 2003).
2.3.
A injustiça social e a degradação ambiental
Há uma estreita inter-relação entre pobreza, acesso à energia e sustentabilidade.
Coincidentemente, o número de pessoas que vivem com menos de um dólar

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783956362491
ISBN (Paperback)
9783836603805
Dateigröße
2.1 MB
Sprache
Portugiesisch
Institution / Hochschule
Universidade Estadual de Santa Cruz – Departamento de Ciências Agrárias e Ambientais, Programa Regional de Pós-graduacao em Desenvolvimento e Meio Ambiente
Erscheinungsdatum
2007 (Juni)
Schlagworte
biogas biodiesel erneuerbare energien biokraftstoff glycerin
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Titel: Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: Aspectos tecnológicos, ambientais e ecológicos
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