Instalações de biogás: produção flexível de energia renovável a partir de biomassa
A tecnologia de biogás usa processos naturais ecologicamente corretos
Objetivamente, o biogás é considerado um subproduto inflamável da fermentação anaeróbia de matéria orgânica. O biogás é um dos elementos mais flexíveis na combinação de energias renováveis. Pode ser armazenado na forma de calor ou eletricidade para que a energia possa ser usada quando for necessária. Essa flexibilidade torna o biogás um suplemento ideal para a energia solar ou eólica, que flutuam em confiabilidade e são difíceis de regular.
A Vogelsang fornece componentes confiáveis para a produção econômica de biogás. Da tecnologia de bombeamento à maceração, tecnologia de desintegração e sistemas de doseamento de matéria sólida, a Vogelsang oferece um portfólio abrangente de tecnologia de biogás para toda a gama de fermentação. É por isso que nos vemos como parceiros no setor do biogás. Juntamente com nossos clientes, estamos desenvolvendo continuamente nossa tecnologia de biogás, adaptando-a às mudanças contínuas nas condições subjacentes para fornecer soluções para a produção eficiente de biogás. Um aspecto importante disso é a análise individual de cada instalação de biogás. Esta é a única maneira de encontrar e realizar plenamente o potencial de otimização.
Situação internacional no setor do biogás
Hoje, só na Alemanha, existem cerca de 10.000 instalações de biogás (dependendo do método de contagem usado), fornecendo energia para a população - em toda a Europa, há mais de 17.000. O tamanho médio de uma instalação de biogás difere de país para país com base no tipo de biomassa utilizada. Isto significa que, em alguns países, as pequenas centrais de biogás são particularmente incentivadas. Na Alemanha, trata-se de instalações até um máximo de 75 kWel que reciclam quase exclusivamente resíduos agrícolas. Por outro lado, há também grandes instalações gerando diversos megawatts (MW). Os materiais de entrada são materiais renováveis reciclados, bem como resíduos orgânicos domésticos e resíduos alimentares.
Aplicações em instalações de biogás
Uma instalação de biogás é construída de modo que forneça condições ideais para a produção de biogás: A biomassa é mantida em grandes recipientes ("fermentadores") onde fermenta na ausência de luz e oxigênio. Esta fermentação anaeróbica ocorre em quatro etapas, durante as quais cada bactéria especializada converte a biomassa passo a passo, produzindo o biogás. Essas “etapas (também chamadas de“fases”) são as seguintes:
- Primeiro passo: Hidrólise (digestão de matérias-primas)
- Segunda etapa: Acidogênese (acidificação)
- Terceiro passo: Acetogênese (formação de ácido acético)
- Quarta etapa: Metanogênese (formação de metano)
O biogás em si consiste principalmente de metano e dióxido de carbono, mas também de inúmeros outros gases, como sulfeto de hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e amônia. No final do processo de fermentação, você fica com o resíduo de fermentação "digerido", que pode ser usado na agricultura como fertilizante. Isso completa o ciclo natural; sem outro subproduto utilizável, o biogás é altamente sustentável.
Biogás: a vaca de concreto
Considerando as etapas do processo descritas acima, há grande semelhança com o sistema digestivo de uma vaca - razão pela qual uma instalação de biogás também é conhecida como vaca de concreto. Tanto na instalação de biogás quanto nos sistemas digestivos de ruminantes, as bactérias convertem biomassa em energia. O processo em instalações modernas de biogás conhecido como "preparação de substrato" é o equivalente à mastigação das vacas. A hidrólise ocorre no primeiro estômago da vaca (o rúmen). A acidificação e formação do ácido acético ocorre então no omaso e abomaso, enquanto a energia é gerada (isto é, absorvida no corpo da vaca) nos intestinos delgado e grosso, bem como no apêndice. Outra semelhança marcante está no material de entrada sólido (substrato). Como suas vacas, muitos agricultores alimentam suas instalações de biogás com materiais renováveis, como silagem de milho e silagem de grama.
Os elementos de uma instalação de biogás
Os elementos centrais importantes de cada instalação de biogás são os seguintes:
- Doseamento de substratos /matéria sólida
- Tanque fermentador
- Misturadores para misturar nos fermentadores
- Armazenamento de gás
- Armazenamento de resíduos de fermentação para o material fermentado restante
- A utilização de biogás é geralmente usada para uma unidade de cogeração ou, mais raramente, para processamento e armazenamento de gás na rede
Uma unidade de cogeração é um motor a gás que é acoplado a um gerador que gera eletricidade (energia) a partir da energia de biogás. Misturadores são necessários, porque só eles podem criar condições ideais para a geração de biogás quando o fermentador é misturado bem e uniformemente. O objetivo do doseamento de matéria sólida é introduzir a biomassa sólida no fermentador. O ideal é isso ser feito com baixo consumo de energia e operação sem problemas, independentemente do tipo de biomassa.
A matéria sólida que pode ser usada em uma planta de biogás depende de vários fatores. Basicamente, o conteúdo orgânico deve ser muito denso, uma vez que só este pode ser convertido em biogás. O tempo de retenção também deve corresponder à matéria sólida utilizada. O tempo de retenção refere-se ao tempo médio que a biomassa passa no fermentador até fluir para fora. Se esse tempo for muito curto, a bactéria não terá tempo suficiente para quebrar a maior parte da matéria sólida conforme necessário. Como resultado, a energia contida na biomassa não é totalmente utilizada. Do ponto de vista tecnológico, isso não é um problema, mas afeta a operação econômica da instalação de biogás. Materiais de entrada de alta energia também não fornecem automaticamente o rendimento mais econômico. Também é necessário considerar os custos do material de entrada e a energia real que ele pode fornecer. Por fim, deve ser solicitada permissão oficial para a biomassa selecionada.
Fermentação úmida e fermentação seca - os dois métodos de fermentação
As instalações de biogás são frequentemente categorizadas de acordo com diferentes aspectos. Por exemplo, é feita uma distinção entre fermentação úmida e fermentação seca. Durante a fermentação úmida, a matéria sólida é misturada com um líquido. A suspensão orgânica resultante é geralmente fluida e é movida usando bombas. Durante a fermentação seca, a biomassa empilhável é embalada em um "fermentador de caixa" ou "fermentador de garagem" e depois pulverizada com um líquido (o "percolado"). O vazamento de percolado do fundo é coletado e reaplicado ao topo da biomassa. Isso facilita o processo de fermentação e, portanto, permite a produção de biogás. Este tipo de instalação não é tão amplamente utilizado e é usado principalmente para a fermentação de resíduos orgânicos, tais como estacas verdes ou resíduos alimentares de famílias.
Instalações de biogás e instalações de bio-metano – é o que sai que importa
Outra distinção é instalações de biogás versus instalações de bio-metano. Ambas as instalações produzem biogás. Nas instalações de biogás (o tipo mais comum na Alemanha), este biogás é processado um pouco e depois convertido diretamente em eletricidade e calor numa unidade de cogeração próxima. As instalações de bio-metano processam o biogás de forma tão completa que – como o gás natural – consiste quase inteiramente em metano. Este bio-metano pode, portanto, ser alimentado diretamente na rede de gás natural, onde pode ser transportado e queimado onde a energia é necessária.
Estações de tratamento de resíduos: utilização sensata de resíduos orgânicos
Outra classificação comum é baseada na biomassa utilizada. Distingue entre instalações de cofermentação ou instalações de resíduos e instalações de materiais renováveis. O termo "instalação de cofermentação" remonta aos primeiros dias do boom do biogás na Alemanha. Os agricultores construíram sistemas nos quais queriam gerar e usar a energia que ainda estava no estrume líquido na forma de biogás. Eles logo perceberam que poderiam produzir muito mais biogás se também adicionassem cosubstratos ao estrume líquido, como alimentos não consumidos, grãos ou resíduos orgânicos. Isso deu origem ao termo instalação de cofermentação para instalações de biogás que fermentam resíduos industriais e materiais residuais, bem como resíduos agrícolas, como estrume líquido e estrume. Com o passar do tempo, a proporção dessas instalações de biogás de base agrícola que fermentam materiais residuais diminuiu drasticamente. Em vez disso, muitas instalações industriais foram construídas para a gestão de resíduos municipais, comerciais e industriais. Durante esse desenvolvimento, o termo "instalação de resíduos" passou a ser usado para instalações de biogás onde os resíduos orgânicos são fermentados.
Instalações de material renovável - O que são e o que as torna diferentes
O termo instalação de material renovável veio de um período em que o governo decidiu promover a fermentação de materiais renováveis, como culturas energéticas em particular. Além dos resíduos agrícolas, essas instalações de biogás só podem fermentar matérias-primas renováveis. Os resíduos agrícolas são geralmente estrume e estrume líquido. Os materiais renováveis típicos (culturas energéticas) são:
- Milho e ensilagem de erva,
- GPS (silagem de culturas inteiras)
- Culturas como batatas e nabos, etc., desde que não se destinem à produção de alimentos.
Este tipo de instalação é comum na Alemanha. Estão sujeitas a regras e subvenções especiais abrangidas pela Lei das Energias Renováveis (EEG). Para muitas empresas agrícolas, elas fornecem uma fonte de renda razoavelmente previsível e confiável.
Quando todos esses pontos são levados em consideração, a tecnologia de doseamento de matéria sólida adequada que pode alimentar o custo da biomassa de forma eficaz deve ser instalada na instalação de biogás. Resíduos líquidos da agricultura, como estrume e glicerina ou resíduos de caixas de gordura, geralmente podem ser bombeados diretamente para o fermentador usando bombas. Como isso geralmente significa resíduos que incluem matérias estranhas, como pedras, peças metálicas e impurezas (por exemplo, madeira, correias, etc.), recomendamos o uso de mecanismos de cortes e separadores de corpos estranhos para reduzir o material a um nível gerenciável.
Higiene
Ao usar materiais de entrada que estão sujeitos aos regulamentos de higiene, é necessária uma limpeza profunda para garantir a destruição de quaisquer parasitas, vírus ou bactérias contidos no material que possam representar uma ameaça ao meio ambiente. Isto aplica-se especialmente aos substratos de origem animal, como os resíduos de matadouros e os resíduos alimentares. O procedimento mais comum envolve aquecer o material de entrada até pelo menos 70°C por uma hora e, em seguida, cortá-lo até um tamanho máximo de 12 mm. Os sistemas comprovados para este processo são mecanismos de corte baseados em contato combinados com bombas volumétricas. As bombas volumétricas da Vogelsang geralmente bombeiam resíduos viscosos e abrasivos com segurança, enquanto uma peneira de favo de mel de 12 mm no mecanismo de corte RotaCut garante que todos os elementos sejam reduzidos ao tamanho máximo permitido. Opções especiais garantem que nenhum material de entrada passe pelo mecanismo de corte não tratado.
Processo de alimentação para biomassa não escoável
As instalações de biogás são alimentadas principalmente com matéria sólida não fluida (também chamada de substratos). Os processos de alimentação podem ser divididos aproximadamente em duas categorias: Alimentação de matéria sólida seca e alimentação de líquidos. Para alimentação de matéria sólida seca, os materiais de entrada são colocados diretamente no fermentador. Os sem-sim de alimentação são o método mais comumente usado, transportando a matéria sólida para cima e para a suspensão orgânica. A principal vantagem desta tecnologia são os custos de investimento relativamente baixos. No entanto, a matéria sólida deve ser agitada pelos misturadores no fermentador, o que só é possível em níveis de energia muito altos. Além disso, esta técnica não é totalmente adequada para substratos de fibras longas (por exemplo, grama de carro, palha ou resíduos agrícolas, como estrume).
Para alimentação líquida, a biomassa é primeiro misturada com uma suspensão líquida, o fermentador ou assim chamado recircular do fermentador. Esse processo também é chamado de mashing. O mosto de alimentação resultante é então transportado para o espaço de fermentação (geralmente é bombeado). As vantagens deste procedimento são que a biomassa chega no fermentador na forma líquida e a mistura requer significativamente menos consumo de energia com um conteúdo de fermentador que se mistura bem com a suspensão orgânica. Se a matéria sólida também for processada simultaneamente, as necessidades de energia reduzidas também são acompanhadas pelo aumento da geração de gás. Isso também reduz significativamente o problema generalizado representado pela formação de camadas flutuantes.
Alternativamente, existem sistemas de alimentação de líquidos que, além de materiais renováveis, também podem alimentar resíduos orgânicos com propriedades extremamente diferentes. Muitas instalações de biogás dependem de tais sistemas. Isso ocorre porque eles também querem usar culturas como batata ou beterraba, além de materiais renováveis clássicos, ou porque a biomassa usada tem propriedades extremamente flutuantes (por exemplo, resíduos alimentares ou resíduos orgânicos domésticos). Outras instalações de biogás reagem de forma muito flexível porque compram a biomassa atualmente disponível no mercado em condições favoráveis. Sistemas como o PreMix são projetados para esses tipos de instalações de biogás. Eles podem alimentar muitos tipos diferentes de biomassa de forma confiável, fácil e bem triturada no fermentador, atendendo a um requisito básico para a operação econômica dessas instalações de biogás.