Qualquer matéria orgânica biodegradável pode ser adicionada aos biodigestores anaeróbicos para produção de biogás e alternativa de energia, como a seguir:

• Produção animal, dejetos, rejeitos e carcaças: suinocultura, pecuária de leite e corte, avicultura, piscicultura entre outros;.

• Resíduos agrícolas: cascas, folhagens, palhas, grãos, restos de cultura, entre outros;

• Resíduos industriais: bagaços, descartes, efluentes, gorduras, vinhaça (subproduto alcooleiro), amido, glicerina (subproduto do petróleo) restos de restaurantes, efluentes industriais com elevada carga orgânica, entre outros;

• Resíduos orgânicos municipais advindos da atividade humana, como: esgoto, resíduos domésticos orgânicos, resíduos de manutenção de parques e jardins, entre outros.

Molécula de metano (CH4): o principal componente do biogás:

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O gás metano (CH4) disponível no biogás é considerado um combustível gasoso que possui alto conteúdo energético e alto poder calorífico, semelhante ao gás natural. Sendo o metano o principal constituinte do biogás, este não tem cheiro, cor, nem sabor, mas o biogás apresenta odor desagradável devido alguns gases presentes em sua composição. O biogás é composto por hidrocarbonetos de cadeia curta e linear.

O biogás produzido artificialmente em plantas de biodigestores anaeróbicos é composto de:

Metano (CH4): 45 – 65% do volume total;

Dióxido de carbono (CO2): 35 – 45% do volume total;

Traços de hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e gás sulfídrico (H2S), entre outros.

A digestão anaeróbica representa um sistema ecológico delicadamente balanceado, onde cada microrganismo tem uma função essencial. A produção de metano ocorre em diferentes ambientes naturais tais como pântanos, solo, sedimentos de rios, lagos e mares, assim como nos órgãos digestivos de animais ruminantes. As condições ótimas de vida para as bactérias anaeróbicas produzirem o biogás são:

O oxigênio (O2) do ar é letal para as metano bactérias anaeróbicas. Se houver oxigênio no ambiente, as bactérias anaeróbicas paralisam seu metabolismo e deixam de se desenvolver. As bactérias anaeróbicas produzem o metano.

As bactérias anaeróbicas produzem o metano. Em uma usina de biogás, o biodigestor (biofermentador ou bioreator) deve estar hermeticamente vedado impossibilitando a entrada de ar (oxigênio), caso contrário, ocorrerá a morte das bactérias anaeróbicas causando o fim da produção do biogás metano. O biogás produzido será então rico em CO2 e não em metano. Assim, o biodigestor deve assegurar uma completa anaerobiose do ambiente necessária para o metabolismo das bactérias anaeróbicas.

A temperatura no interior do biodigestor é um parâmetro importante para a produção de biogás. As bactérias que produzem metano são muito sensíveis a alterações de temperatura. O crescimento microbiano pode ocorrer em três faixas de temperatura: termofílica (45 – 70°C), mesofílica (20 – 45°C) e psicrofílica (0 – 20°C), porém a maioria dos digestores anaeróbios (fermentadores) tem sido projetados na faixa mesofílica, onde o nível ótimo de temperatura para melhor formação de metano, ocorre entre 30 e 40°C, sendo o ideal 37°C. Assim, outro papel do biodigestor também é o de assegurar certa estabilidade de temperatura para as metano bactérias.

Mudanças no pH do meio afetam sensivelmente as bactérias envolvidas no processo da digestão anaeróbia. A faixa de operação dos biodigestores é entre pH 6,0 e 8,0, sendo que as bactérias produtoras de metano (metano bactérias) tem um crescimento ótimo na faixa de pH entre 6,6 e 7,4. Valores de pH abaixo de 6,0 e acima de 8,3 devem ser evitados, pois podem inibir completamente as metano bactérias.

A presença dos macronutrientes (carbono, nitrogênio, potássio, fósforo e enxofre) e de alguns micronutrientes (sais minerais, vitaminas e aminoácidos) são fundamentais para o desenvolvimento do rebanho de microrganismos (metano bactérias). Para que no interior de um biodigestor ocorra uma boa fermentação, o equilíbrio entre os nutrientes é indispensável.

O conhecimento da composição química e do tipo de biomassa utilizada é muito importante, como por exemplo, os dejetos animais são ricos em nitrogênio; os resíduos de culturas vegetais são ricos em carbono; os sais minerais estão presentes nos dejetos animais e resíduos vegetais.

A produção do biogás, além de ser uma alternativa energética, ser um combustível de baixo custo por se originar de um subproduto, encaixa-se perfeitamente dentre as disposições apresentadas pelo Banco Mundial de uso sustentável dos recursos naturais renováveis, de combate à poluição e ao desperdício de energia, em conjunto com um melhor gerenciamento dos dejetos como elementos fundamentos para o desenvolvimento sustentável (ZANETTE, 2009).

O biogás, após purificação, pode ser usado como gás combustível para geração de energia elétrica e calorífica em motores Ciclo Otto movidos a biogás. Estes moto-geradores são especialmente desenvolvidos para funcionarem a explosão de biogás.

Para que o biogás produzido seja utilizado em motores de biogás ciclo Otto, é necessário passar o biogás por um processo industrial.

Este processo consiste de:

• Extração do gás sulfídrico (H2S) e a umidade (H2O).

• Eliminar possíveis gases indesejáveis dentro do biogás, como por exemplo: amônia (NH3), oxigênio (O2), hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2).

• O gás resultante das etapas do processo anterior, irá alimentar diretamente os motores exclusivos à biogás.

Estas unidades combinadas de geração de energia elétrica e calorífica, são conhecidas no mercado pela sigla em inglês de CHP (combined heat and power), possuindo muitos fornecedores em todo o planeta (Caterpillar, GE, Cummings, Scania e outros).

O motor Ciclo Otto movido a biogás possui um gerador de eletricidade acoplado a seu eixo.

O torque do motor roda o gerador, que por sua vez produz energia elétrica.

A geração de energia elétrica é constante enquanto o motor for alimentado e estiver em pleno funcionamento.

Estes motores são projetados para funcionar 8.000 horas em um ano e usualmente conseguem uma eficiência energética superior 91%. A eficiência elétrica destes motores, variam de 38-42%. A eficiência térmica destes motores, a capacidade de gerarem energia térmica, viria de 40-45%.

Como todo motor ciclo Otto funciona por explosão, uma grande quantidade de calor é liberada, pelo “escape” dos gases fruto desta explosão e pela temperatura de bloco no motor. Recuperar este calor do “escape” e do “bloco do motor” e utilizá-los internamente em processos produtivos da planta de biogás ou da indústria onde a planta está instalada, é perfeitamente viável do ponto de vista financeiro e técnico. Porém este estudo é específico para as condições de cada instalação, tornando difícil a quantificação de casos teóricos.

Por exemplo, a energia elétrica gerada por 500 m3 por hora de biogás (sendo o biogás com 55% de CH4) é de 1.13MWh. A energia calorífica produzida total é de 1,22MWh, sendo que 0,84MWh produzido pelo “escape” do motor e 0,38MWh produzido pelo ‘bloco” do motor.

Parte da energia calorífica produzida pelo “bloco do motor” será usada para aquecer o Biodigestor e não está disponível para uso comercial.

O biogás pode ser usado como gás combustível em substituição ao gás liquefeito de petróleo (GLP), extraído de fontes de recursos não-renovável.

O biogás produzido, com no mínimo 50% de gás metano (CH4) após limpo e extraído gás sulfídrico (H2S) e a umidade (H2O), pode ser utilizado diretamente em queimadores de GLP, com simples adaptações. Ou seja, o biogás é uma alternativa direta e viável às aplicações energéticas com GLP.

A equivalência do calorífica de um m3 de GLP com um m3 de biogás é igual a 0,45.