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Sector RESÍDUOS
Medida ME8
Energias Renováveis:
Aproveitamento de recursos endógenos
Co-geração a biogás em ETARs Municipais
Reduzir as emissões de gases com efeito de
estufa: aproveitar os recursos energéticos
renováveis
As alterações climáticas são hoje um desafio da sociedade
moderna, enquanto co-responsável pelas acções causadoras
de efeitos sobre o clima e, simultaneamente, promotora de
acções e medidas ao nível dos diversos sectores de actividade,
para mitigar esses efeitos.
As emissões de gases com efeito de estufa (GEEs) originadas
localmente, repercutem-se em efeitos globais, comprometendo
toda a sociedade na procura de soluções integradas, numa
lógica de solidariedade e de equidade. A Convenção Quadro
das Nações Unidas para as Alterações Climáticas e o Protocolo
que dela emana, o Protocolo de Quioto, acordado em
Dezembro de 1997, é o expoente máximo desta estratégia.
É expectável que os 144 países que ratificaram este acordo,
entre os quais se inclui Portugal, adequem as suas estruturas
económicas e sociais à satisfação dos objectivos do Protocolo,
estabelecendo metas de redução e investindo na eficiência
dos diversos sectores de actividade, por forma a obter menores
consumos energéticos e a diminuir o quantitativo das emissões
para a atmosfera. A eficiência energética e a utilização de
energias renováveis têm aqui um papel fundamental.
Foi com esse propósito e por reconhecer a importância da
intervenção local na redução das emissões de GEEs, que a
Câmara Municipal de Almada (CMA) decidiu desenvolver uma
estratégia local, cujo primeiro passo consistiu na realização
do “Inventário Municipal das Emissões de Gases com Efeito
de Estufa em Almada”, datado de 2001.
Este Inventário, pioneiro a nível nacional, permitiu identificar
os consumos de energia e as emissões de GEEs por sector de
actividade económica no Concelho de Almada, tendo-se
seguido a metodologia de cálculo proposta pelo IPCC (Painel
Intergovernamental para as Alterações Climáticas das Nações
Unidas).
Na sequência deste estudo, foi desenvolvida a
Estratégia Local para as Alterações Climáticas (ELAC), que
Edição:
Departamento de Estratégia e Gestão Ambiental Sustentável
Câmara Municipal de Almada
Rua Bernardo Francisco da Costa nº42, 2800-029 Almada
Tel. 21 272 25 10, [email protected]
ELAC_2 Almada, Julho 2005
propõe um conjunto de medidas sectoriais para a redução da
intensidade energética e a melhoria ambiental das actividades,
nos vários domínios em que são exercidas.
De acordo com este Inventário, o Sector dos Resíduos, à data
composto pela fracção de resíduos sólidos urbanos do Concelho
de Almada depositada no Aterro Almada-Seixal e pelas Estações
de Tratamento de Águas Residuais (ETARs) da Quinta da
Bomba e de Valdeão, foi responsável pela emissão de 1,2%
do total de GEEs libertados no Concelho de Almada.
Emissões de CO2 por Sector de Actividade em Almada
Resíduos 1%
Transportes 43%
Outros 8%
Residencial 17%
Serviços 18%
Indústria 15%
Fonte: Inventário Municipal das Emissões de Gases com Efeito de Estufa do Município
de Almada (2001).
À operação de uma ETAR estão associadas emissões de GEEs
com três origens distintas: o consumo de energia nas diferentes
fases de tratamento (contabilizado no Sector dos Serviços),
a deposição de lamas em aterro e a libertação de biogás para
a atmosfera resultante do processo de digestão das lamas
(contabilizadas no Sector dos Resíduos).
A possibilidade de reduzir a quantidade de lamas depositadas
em aterro, através de um processo de digestão, e de aproveitar
a energia renovável daí resultante, o biogás, na produção de
energia eléctrica, constitui uma excelente oportunidade para
mitigar as emissões de GEEs no Sector dos Resíduos.
1
O sistema de drenagem e tratamento de águas O processo de tratamento de águas residuais
da ETAR do Portinho da Costa
residuais dos SMAS de Almada
O Concelho de Almada dispõe actualmente de um nível de
atendimento de tratamento de águas residuais muito próximo
de 100%. A concretização deste objectivo resultou de uma
estratégia municipal que visou a cobertura integral do Concelho
de Almada por redes de drenagem e sistemas de tratamento,
à qual foram afectos elevados investimentos financeiros e
humanos.
A entrada em funcionamento da ETAR do Portinho da Costa
confirma o empenho e a determinação do Município de
Almada em fechar o ciclo urbano da água no Concelho, dando
assim o seu contributo para a preservação da biodiversidade
do estuário do Tejo e das suas funções ecológicas, fundamentais
para inúmeras espécies de peixes, bivalves e aves.
A ETAR do Portinho da Costa integra um dos 3 sistemas de
drenagem de águas residuais do concelho, o sub-sistema da
Caparica-Trafaria ou do Portinho da Costa, que serve as
freguesias da Costa de Caparica, da Trafaria e parte da Caparica.
No quadro seguinte apresentam-se as principais infra-estruturas
dos 3 sub-sistemas referidos, aos quais estão ainda associados
942 km de colectores de águas residuais domésticas e pluviais.
Componentes do sistema de drenagem e tratamento de águas residuais dos SMAS
de Almada
Portinho da Costa
Mutela
Quinta da Bomba
Túneis
T. de Vale Cavala
T. de Portinho da Costa
Emissários
E. de Caparica
E. do Torrão
E. da Trafaria
E. Geral de Almada
E. Geral do Laranjeiro
E. Geral de Cacilhas
E. de Vale Figueira
E. de Sobreda-Corroios
E. de Vale Milhaços
Ramal da Quintinha
Rejeição da ETAR
Estações
Elevatórias
EE. da Caparica
EE. do Torrão
EE. da Trafaria
EE. de Cacilhas
EE. da Aroeira
ETAR
ETAR do Portinho da Costa
ETAR da Mutela
ETAR do Valdeão
ETAR da Quinta da Bomba
- resíduos sólidos, inertes, que são depositados em aterro;
- lamas, que podem ser depositadas em aterro ou sofrer
posterior tratamento (digestão) antes do seu envio para
o destino final;
- águas residuais tratadas, que são lançadas ao rio Tejo.
Na ETAR do Portinho da Costa, o processo de tratamento é
constituído por uma primeira etapa de tamisagem, seguida
de tratamento físico-químico avançado (com adição de cloreto
férrico e polielectrólito em órgãos compactos, que incluem
também as funções de remoção de areias e gorduras, bem
como a sedimentação e pré-espessamento de lamas). Seguemse o tratamento biológico (biofiltração de fluxo ascendente,
com arejamento em co-corrente) e a afinação final do efluente
através de um emissário submarino com difusores, localizado
a 25m de profundidade e a 150 m da margem do rio Tejo.
Na fase sólida, as lamas, depois de espessadas, sofrem uma
digestão em regime mesófilo (temperatura 35ºC), com
aproveitamento energético do biogás em motores de cogeração para produção de energia térmica e eléctrica. As
lamas digeridas são desidratadas por centrifugação,
armazenadas em silo e reutilizadas na agricultura.
Subsistema
COMPONENTES
A depuração das águas residuais urbanas drenadas para as
quatro ETARs dos SMAS de Almada, é garantida através de
processos físico-químicos e biológicos, que permitem a
separação das matérias sólidas inorgânicas e a decomposição
da matéria orgânica. Daqui resultam:
Trata-se de uma ETAR tecnologicamente avançada e
ambientalmente eficiente: apresenta uma elevada eficiência
de tratamento (percentagem de remoção de matéria orgânica
superior a 96%), produz biogás (utilizado como combustível
para a produção de energia eléctrica e calor), aproveita as
lamas como fertilizantes para a agricultura e reutiliza a água
residual tratada para lavagens e rega de espaços verdes.
Resultados de Exploração da ETAR do Portinho da Costa em 2004
Caudal médio diário (m3/dia)
População servida (hab.eq.)
Volume total tratado (m3)
Carga orgânica afluente média (kg CBO5 /dia)
Rendimento (% de remoção)
CBO5 – Carência Bioquímica de Oxigénio sem nitrificação
CQO – Carência Química de Oxigénio
SST – Sólidos Suspensos Totais
7 143
77 230
2 187 959
4 129
96
97
97
Diagrama esquemático do processo
de tratamento da ETAR do Portinho da Costa
Reagentes
Descarga
de Águas
Residuais
Desarenação/Desengorduramento
Decantação Primária
Emissário
Submarino
Rio Tejo
FASE LÍQUIDA
Fonte: SMAS de Almada (www.smasalmada.pt)
Cisterna de água
tratada
Biofiltros
Areias
Gradagem E. Elevatória
(3 mm)
Desinfecção
por U.V.
Separador
de gorduras
Espessamento
gravítico
Silo de Cal
E. Elevatória
Energia Eléctrica
E. Elevatória
Ar tratado
Torres de Desodorização
Aquecimento
de lamas
Silo de lamas
Gasómetros
Cogeração
Aspiração
de ar viciado
2
Tocha de gás
em excesso
Biogás
FASE SÓLIDA
Entrada
de Águas
Residuais
Classificador/Lavador
Água para usos
compatíveis
(rega e lavagens)
Digestão
Anaeróbia
E. Elevatória
Desidratação mecânica
de lamas (Centrifugas)
E. Elevatória
Lamas para valorização
agrícola
A estação, que entrou em regime de ensaios em Fevereiro de
2004, serve actualmente uma população de cerca de 80 mil
habitantes equivalente, tratando mais de 2 milhões de m3/ano
de águas residuais urbanas, embora tenha capacidade para
tratar os efluentes de 140 mil habitantes equivalente.
A energia na ETAR do Portinho da Costa
Na sua operação, a ETAR do Portinho da Costa apresenta
necessidades energéticas correspondentes ao calor utilizado
no tratamento das lamas e à electricidade consumida em
múltiplos outros processos.
O projecto desta estação previu, desde o início, suprir parte
destas necessidades energéticas através da instalação de um
sistema de co-geração alimentado com o biogás produzido
na própria ETAR.
O biogás provém da digestão das lamas originadas nos
tratamentos primário e secundário dos efluentes líquidos.
As lamas, constituídas essencialmente pela matéria orgânica
do esgoto inicial, são o substrato ideal para a aplicação de
um processo de tratamento designado por digestão anaeróbia
(degradação biológica na ausência de oxigénio).
Deste processo resulta a produção de biogás, uma forma de
energia renovável, essencialmente composto por metano
(CH4) e dióxido de carbono (CO2), que pode ser utilizado
como combustível.
Diagrama do sistema de co-geração da ETAR do Portinho da Costa
Gases de Escape
Energia Eléctrica
Co-geração
Biogás
Digestão
Anaeróbia
Circuito de Recuperação
de Energia Térmica
Lamas Frescas
Lamas Estabilizadas
atingir uma potência de cerca de 100 MW a partir deste
recurso renovável.
O biogás apresenta geralmente boas perspectivas de utilização
em equipamentos de conversão energética, como sejam os
grupos electrogéneos (motor + gerador) para produção
combinada de calor (energia térmica) e electricidade, ou em
caldeiras para produção de água quente e/ou de vapor.
A perspectiva de produzir e utilizar internamente o biogás,
um combustível “gratuito”, e de reduzir as emissões de GEEs,
constituíram por si só um forte incentivo para justificar o
esforço técnico, humano e financeiro que os SMAS de Almada
assumiram na concepção da ETAR do Portinho da Costa.
O biogás da ETAR do Portinho da Costa: uma
energia renovável nobre
De entre todas as formas de energia renovável, as que permitem
valorizar resíduos são as mais nobres, pois aliam à geração
energética uma componente ambiental positiva directa. O
biogás originado em ETARs ou em aterros, quando
energeticamente utilizado, pertence a este grupo.
O interesse do biogás como recurso energético deve-se ao
seu principal constituinte, o metano. Este composto possui
um elevado poder calorífico, que torna a sua queima para
a produção combinada de energia térmica e energia eléctrica
– co-geração – muito oportuna. Pelo contrário, a sua libertação
directa para a atmosfera é nociva, já que o metano apresenta
um potencial de aquecimento global 21 vezes superior ao do
dióxido de carbono.
A composição do biogás varia, de acordo com as características
do resíduo e as condições de funcionamento do processo de
digestão. Em média, o biogás é constituído por 60% de
metano (CH4) e 40% de dióxido de carbono (CO2). Outros
gases, como o azoto (N2) e o sulfureto de hidrogénio (H2S),
estão também presentes na mistura, embora em quantidades
reduzidas ou mesmo vestigiais.
As análises laboratoriais efectuadas ao biogás produzido na
ETAR do Portinho da Costa, revelam uma percentagem de
metano que ronda os 70%.
Composição média de um biogás típico e do biogás do Portinho da Costa
Parâmetros
Biogás típico (%)
Biogás do Portinho
da Costa (%)
Metano
Dióxido de Carbono (CO2)
Oxigénio+Azoto (N2+O2)
Azoto (N2)
50-80
20-40
0,5-3
1-5
a)
69,08
28,18
2,74
6 (ppm)
Fonte: SMAS de Almada
A valorização energética dos resíduos
orgânicos
A digestão anaeróbia tem vindo a ser progressivamente
utilizada nos sistemas de tratamento de águas residuais. No
entanto, o principal objectivo deste processo não reside na
produção e aproveitamento do biogás, mas sim na estabilização
das lamas primárias e secundárias resultantes do tratamento
aplicado. De um modo geral, o biogás assim produzido é
simplesmente queimado, ao invés de considerado um subproduto útil, susceptível de ser aproveitado energeticamente.
Estima-se que, caso todos os resíduos orgânicos mundiais
sofressem um processo de digestão, fossem convertidos em
metano e aproveitados como combustível, com uma eficiência
de 50%, seria possível uma economia de cerca de 5% da
energia fóssil mundial.
Em Portugal, o potencial de utilização desta técnica é
considerável, visto existirem actualmente em funcionamento
ETARs dotadas de digestores anaeróbios para tratamento de
lamas, ainda sem aproveitamento do biogás produzido. Só
para produção de energia eléctrica, estima-se que seja possível
Outros
Sulfureto de Hidrogénio (H2S)
a) valores não disponíveis
Fonte: Departamento Municipal de Tratamento de Águas Residuais, SMAS de Almada;Guia Técnico
de Biogás e INETI - Departamento de Energias Renováveis
Embora em termos absolutos o biogás seja menos energético
do que a maioria dos gases normalmente utilizados como
combustíveis, o facto de ser um subproduto e de ser renovável
tornam a sua utilização ambientalmente muito eficiente.
Equivalência energética bruta do biogás com 70% de metano
6,5 kW/h
Electricidade
0,6 litros
Gasóleo
1,6 kg
Lenha
0,62 m3 Gás natural
1 m 3 de Biogás
70% CH 4
6,5 kWh/m 3
0,26 m3 Propano
0,20m3 Butano
3
Em suma, seja qual for a opção adoptada para utilizar o
biogás, haverá sempre lugar à produção de, pelo menos, uma
forma de energia (eléctrica, térmica e/ou mecânica).
Consumos energéticos e economias de energia antes e após o
funcionamento do sistema de co-geração
Principais opções para utilização/conversão de biogás
BIOGÁS
MOTOR
REDE DE GÁS
Introdução
em rede
privada
Co-geração
Transportes
Energia
mecânica
Aquecimento
ambiente
Produção de vapor
Produção de frio
Águas
quentes
Secagem
Turbinas a gás
Células combustível
O sistema de co-geração
da ETAR do Portinho da Costa
O sistema de co-geração da ETAR do Portinho da Costa é
constituído por dois grupos electrogéneos (motores e
alternadores) que se alimentam do biogás armazenado em
dois gasómetros flutuantes de dupla membrana (2 x 200 m3).
Características técnicas dos principais equipamentos que constituem o sistema de
co-geração da ETAR do Portinho da Costa
Sistema de co-geração
Equipamento
Forma de energia
Consumo
Sem
co-geração
Energia eléctrica
Gás natural
Biogás (não aproveitado)
1 778
1 282
3 007
Com
co-geração
Energia eléctrica
Gás natural
Biogás (aproveitado)
967
51
3 007
COMBUSTÃO DIRECTA
Modelo
Regime
Potência contínua
HC 434 D2
1 500 rpm
250 kW
Fonte: Departamento Municipal de Tratamento de Águas Residuais, SMAS de Almada
Os dois grupos electrogéneos (2 x 250 kW) permitem converter
aproximadamente 33% da energia contida no biogás em
energia eléctrica. Cerca de 60% da energia contida no biogás
é recuperada sob a forma de calor (vapor e água quente),
através de permutadores que aproveitam a energia térmica
presente nos gases de escape e nos circuitos de arrefecimento
do motor. As perdas associadas ao processo de co-geração
são apenas de 7%.
Emissões de CO2 Total
[ton CO2eq/ano]
Energia
Biogás 100%
959
260
4,9
1223
Energia eléctrica
Gás natural
Biogás (aproveitado)
521
10,2
4,9
536
687
[%]
39
Acresce ainda o facto da ETAR do Portinho da Costa ser uma
obra notável de arquitectura, pensada e desenhada para estar
plenamente integrada na sua envolvente natural, sobranceira
ao magnífico estuário do Tejo.
Motores co-geração
A ETAR do Portinho da Costa: uma ETAR
ecológica que transforma resíduos em energia
O sistema de co-geração da ETAR do Portinho da Costa,
permite reduzir em 67% os consumo energéticos de gás
natural e electricidade, equivalente a cerca de 2 000 MWh
Colaboração:
Câmara Municipal de Almada
Departamento de Estratégia e Gestão Ambiental Sustentável
SMAS de Almada
Departamento Municipal de Tratamento de Águas Residuais
Emissões de CO2 Emissões de CO2
evitadas
evitadas
Este desempenho, deve-se ao facto dos SMAS de Almada
terem previsto na concepção deste equipamento, a instalação
de um sistema de co-geração que converte o biogás produzido
em energia térmica e eléctrica.
60% Energia térmica
Agência Municipal de Energia de Almada
46%
96%
Concluindo, a entrada em funcionamento da ETAR do Portinho
da Costa, que assegura o tratamento adicional de 24% das
águas residuais do Concelho de Almada, não aumentou as
emissões do Sector dos Resíduos.
Perdas 7%
4
812
1 232
[ton CO2eq/ano]
Energia eléctrica
Gás natural
Biogás (não aprov.)
Balanço energético da central de cogeração a biogás da ETAR do
Portinho da Costa
33% Energia eléctrica
[ton CO2eq/ano]
Sem co-geração
Alternador Stamford
E 2842 E
12 em V
21 930 cc
1 500 rpm
165 kW
[%]
Constitui pois um importante contributo dos SMAS de Almada
para o esforço de contenção e redução das emissões de GEEs
do Concelho de Almada e convergência de Portugal para as
metas do Protocolo de Quioto.
Forma
de energia
Modelo
N.º de cilindros
Cilindrada
Regime
Potência contínua
Energia
[MWh/ano]
Em termos ambientais, estas economias de energia traduzemse num decréscimo de 39% das emissões de GEEs, o que
em termos absolutos representa uma redução de 687
toneladas de CO2, equivalente às emissões de um automóvel
que dê 120 voltas à Terra!
Características
Motor a gás MAN
Energia
[MWh/ano]
Com co-geração
Introdução
na rede
pública
por ano, como se poderá depreender da análise comparativa
nos períodos anterior e posterior à entrada em funcionamento
deste sistema.
A G E N E A L
Agência Municipal de Energia de Almada