Biogas

BIOGÁS

O biogás é composto principalmente por metano CH4 (55-70%) e dióxido de carbono CO2 (30-45%), associados a traços de outros gases (< 1 vol%) como o sulfeto de hidrogênio (H2S), amônia (NH3), hidrogênio (H2), nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e vapor de água (H2O) [1-2].

É um gás resultante da fermentação anaeróbia da matéria orgânica, encontrados em resíduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou efluentes industriais, como vinhaça, restos de matadouros, curtumes e fábricas de alimentos. Ao utilizar o biogás como fonte de energia, a quantidade de gás metano liberada para a atmosfera é reduzida [3].

O H2S é um componente indesejável no biogás, podendo danificar o catalisador por envenenamento, além de ser um gás corrosivo que danifica os equipamentos ao longo do tempo. O CO2 e a umidade também podem ser considerados impurezas, pois reduzem o poder calorífico do biogás na queima direta [4].

O biogás apresenta grandes oportunidades como fonte primaria de energia renovável, pois é possível converter sua energia química em mecânica e posteriormente em energia elétrica através de geradores, pode ser usado para cogeração de energia térmica, pode ser queimado diretamente em caldeiras e usado como combustível em motores [5, 6, 7].

O biogás pode ser encontrado em três situações distintas: i) in natura, apresentando 55-70% de CH4, 30-45% de CO2 e 500-4000 ppm de H2S; ii) parcialmente tratado para remoção do H2S; iii) purificado para enriquecimento em “biometano” (93-96% de CH4, 4-7% de CO2 e < 20 ppm de H2S [1, 2,4,5].

HIDROGÊNIO

O hidrogênio é considerado o mais simples elemento do universo, obtendo uma alta quantidade de energia de massa, baixa densidade, e quando utilizado, o produto dessa reação é apenas água. O hidrogênio possui 75% da massa e 90% das moléculas que existem, e tem como características a elevada capacidade de armazenamento de energia, temperatura e pressão normais (0 ºC e 1 atm), é um gás inflamável, incolor, insolúvel em água, e mais leve que o ar. [8]. Além disso, sua combustão, quando em contato com o oxigênio em proporções ideais, não resulta na emissão de poluentes à atmosfera, uma vez que o único produto obtido é a água [9]. Suas propriedades físico-químicas podem ser observadas na tabela 1.

Tabela 1- Propriedades físico-químicas do Hidrogênio

Propriedades

Valores

Fórmula Química

H2

Massa Molecular

1 g/mol

Quantidade de energia por unidade de massa

120,7 kJ/g

Temperatura do estado líquido

-253°C

Massa volumétrica

0,08967 kg/m3

Ponto de ebulição

-252,88 ºC

Ponto de fusão

259,20ºC

Densidade

38 kWh/kg

Pelo fato do hidrogênio possuir baixa densidade no estado gasoso e baixo ponto de ebulição, torna-se mais difícil seu armazenamento. Seu armazenamento no estado líquido é feito em sistemas criogênicos, e para isso, é necessário que esteja a uma temperatura de -253°C, caso contrário, se estiver acima dessa temperatura deverá ser armazenado em seu estado gasoso por cilindros de alta pressão [9].

Grande parte do hidrogênio é utilizada como matéria prima na produção de fertilizantes e outros derivados da amônia, assim como na hidrogenação de óleos orgânicos feitos de sementes de soja, milho, ou para resfriar geradores e motores. Além disso, já existem automóveis que são movidos a hidrogênio [8].

Uma forma de aproveitar o potencial energético do H2 é em células a combustível. Estás são desenvolvidas para uso em transportes e geração de energia em escala estacionaria ou portáteis. Varias aplicações podem ser dadas para a célula a combustível, entre elas: grandes estações de energia; geradores de distribuição de energia, utilizados em prédios e residências; pequenos dispositivos portáteis de fornecimento de energia para equipamentos de microeletrônica; e unidades auxiliares de energia em veículos, entre outras. As células a combustível apresentam uma eficiência energética de até 60%, que é de duas a três vezes mais eficientes se comparado a combustíveis tradicionais em veículos de combustão interna (20-30%) [5, 19, 20, 21].

Uma possibilidade promissora é o uso do biogás é a obtenção de hidrogênio através das reformas já utilizadas para o gás metano [10, 11].

O biogás possui alta capacidade para a geração de H2 por vários processos de reforma. No entanto, a escolha de um processo específico depende de vários fatores, principalmente: composição do biogás, pureza exigida para o uso do H2, volume de produção de H2 desejado e disponibilidade de investimento [5].

Nos processos de reforma em que o biogás é utilizado como matéria prima, é necessária que haja o desenvolvimento de novos materiais com alta atividade catalítica em elevadas temperaturas, que sejam estáveis química e termicamente, para que evite a deposição de carbono em sua superfície (coque) [5].

A Região Oeste do Paraná-Brasil, possui vantagens para utilizar o biogás na produção de H2, devido a sua capacidade na produção do biogás, que é estimado em cerca de 1 milhão de m3/dia. Essa grande capacidade de produção se da pelo fato da região ser economicamente baseada na produção agrícola, que está associada às atividades de produção de soja, milho, trigo e as atividades agropecuárias como a bovinocultura leiteira e de corte, avicultura e a suinocultura, que geram grandes quantidades de resíduos orgânicos [6].

O H2 pode ser produzido pela reforma do metano ou do biogás, em uma temperatura de 600 a 100 °C, envolvendo processos predominantemente catalíticos, muitas vezes combinados. Os processos de reforma podem ser realizados sob baixa pressão [5, 12, 13,14].

As reformas citadas abaixo envolvem o metano como matéria prima, uma vez que é a principal fonte de hidrocarbonetos utilizada. Mas, em alguns processos de reforma pode-se utilizar o próprio biogás como fonte de metano, o que depende diretamente