Aproveitamento de biogás em sistemas híbridos de energias renováveis para estações de tratamento de esgoto

Abstract

O tratamento de esgotos é componente do saneamento básico e é essencial para a manutenção de qualidade adequada dos corpos hídricos e proteção da saúde humana. Para o desenvolvimento das atividades de do setor, um dos custos mais significativos é com energia elétrica, o que pode representar uma das barreiras para a universalização do acesso ao saneamento. A utilização do biogás gerado na digestão anaeróbia dos efluentes em estações de tratamento de esgotos (ETE) pode ser uma fonte alternativa de energia para o setor. O aproveitamento desse recurso pode resultar em uma diminuição nos gastos com compra de energia elétrica da rede pública e na quantidade de gases de efeito estufa emitidos na atmosfera, em comparação com as fontes convencionais de energia. O biogás pode ser utilizado em conjunto com outras fontes renováveis localmente disponíveis, compondo um sistema híbrido para atendimento da demanda da própria ETE. Sendo assim, neste trabalho o software HOMER é utilizado para análise de viabilidade econômica por simulação e determinação da configuração ótima de um sistema híbrido de energias renováveis com inclusão de geradores a biogás para atendimento da demanda de uma ETE. Quatro cenários são propostos e, para cada cenário, também são realizadas análises de sensibilidade de forma a antecipar possíveis mudanças necessárias na configuração do sistema híbrido decorrentes de variações nos custos dos componentes e na disponibilidade de recursos. Preliminarmente, analisa-se o cenário atual de abastecimento, em que os custos para o consumidor são referentes à compra de energia da rede convencional. Em seguida, três cenários são propostos: sistema híbrido de energias renováveis isolado da rede, sistema híbrido de energias renováveis conectado à rede com possibilidade de compra e venda de energia, e, por último, sistema híbrido isolado da rede com possibilidade de uso de um gerador a diesel de apoio. Todas as configurações propostas são viáveis, com custos por kWh inferiores à compra de energia da rede, especialmente em épocas de crise hídrica e consequente aumento nos custos de fornecimento de energia da rede convencional no Brasil. A integração dos sistemas híbridos de energias renováveis que utilizam o biogás com a rede apresentou os menores valores de kWh para o consumidor. Assim, esse tipo de sistema pode contribuir para tornar o fornecimento alternativo de energia para o setor de saneamento mais frequente no Brasil, com foco na sustentabilidade ambiental e econômica do setor.

Sewage treatment is an essential component of sanitation and is therefore essential for the maintenance of an appropriate quality of hydric resources and protection of human health. To develop the sector's activities, one of the most significant costs is related to the electricity needed for the operation of the stations’ components. These costs can represent a barrier to providing universal access to sanitation. The use of biogas generated in anaerobic digestion of effluents in sewage treatment plants may be an alternative source of energy to the sector. Harvesting this resource could reflect in a decrease in expenses with purchase of electricity from the grid and in the amount of greenhouse gases emitted to the atmosphere, when comparing to using conventional sources of energy. Biogas can be used in combination with other renewable sources, composing a hybrid system to supply energy for the sewage treatment plant. Therefore, HOMER software is used to analyze financial viability through simulation and determination of the optimal configuration in a hybrid renewable energy system with the inclusion of biogas generators to meet the demand for sewage treatment plants. Four scenarios are proposed and, for each scenario, a sensitivity analysis is also performed in order to predict possible changes necessary to the configuration of the hybrid system because of variations in component costs and availability of resources. In first place, the current scenario of energy supply is analyzed, in which the costs for the consumer are related only to the purchase of energy from the conventional grid. Then, three scenarios are proposed: hybrid renewable energy system isolated from the grid, hybrid renewable energy system connected to the grid with possibility of buying and selling energy, and, finally, a hybrid system isolated from the grid with the possibility of using a backup diesel generator. All of the proposed configurations are viable, with costs per kWh lower than purchasing energy from the grid, especially when considering water scarcity crisis and the increase in energy supply costs from the conventional grid. The integration of hybrid renewable energy systems that use biogas with the grid obtained the lowest kWh values for the consumer. This type of system can thus contribute to make alternative energy supply to the sanitation sector more frequent in Brazil, focusing on the sector's environmental and economic sustainability.