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Title: Estudo técnico-econômico da implementação de sistemas de aquecimento em biodigestores anaeróbicos de modelo indiano.
Authors: Lopes, Felipe Fernandes
metadata.dc.contributor.advisor: Bortolaia, Luis Antônio
Keywords: Biogás
Biodigestores
Análise econômico-financeira
Método de estudo de casos
Issue Date: 2023
metadata.dc.contributor.referee: Bortolaia, Luis Antônio
Valdieiro, Antônio Carlos
Leal, Elisângela Martins
Citation: LOPES, Felipe Fernandes. Estudo Técnico-econômico da implementação de sistemas de aquecimento em biodigestores anaeróbicos de modelo indiano. 2023. 101 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2023.
Abstract: A conversão de resíduos orgânicos em biogás pelo processo de digestão anaeróbia gera bene- fícios ambientais ao reduzir as emissões de metano e econômicos pelo aproveitamento do gás produzido. Em pequenas propriedades rurais esta conversão pode ser realizada por biodiges- tores anaeróbios de baixo custo, como os de modelo indiano, processando dejetos de animais. Conforme sustentado pela bibliografia, melhores eficiências de conversão podem ser obtidas ao se estabelecer condições ótimas de temperatura para a atividade das bactérias metanogêni- cas. Diferentes metodologias podem ser aplicadas para o aquecimento do substrato orgânico nos biodigestores, neste trabalho são avaliados parâmetros técnicos e econômicos da proposta de implementação de dois sistemas de aquecimento em um biodigestor anaeróbio de modelo indiano tomado como base para o estudo de caso. São coletados dados experimentais de pro- dução volumétrica de biogás, composição química e séries temporais de temperaturas internas e externas. A partir dos dados experimentais é verificada a correlação entre as temperaturas internas e externas e a produção de biogás associada, sendo obtidas correlações positivas mo- deradas entre a temperatura do solo e as temperaturas interna e do ar ambiente. As correlações envolvendo a produção de biogás são positivas fracas. Os dados experimentais de temperatura são utilizados para determinar o aporte térmico necessário para manutenção da temperatura ótima no substrato. Para fornecer o aporte térmico requerido são propostos dois sistemas de aquecimento, um baseado no aproveitamento da energia solar por meio de coletores solares de tubos evacuados ou placas planas e outro baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape de um conjunto motogerador alimentado com biogás. Os sistemas baseados em coletores solares incluem reservatórios térmicos equipados com apoios elétricos para manutenção da temperatura em períodos de insuficiência de energia solar coletada. São realizadas simulações da operação do sistema de aquecimento solar para determinar o consumo de energia elétrica associado à ativação do apoio elétrico. Para o cálculo dos parâmetros econômicos, a produção adicional de biogás obtida pelo aquecimento é estimada a partir dos resultados da bibliografia e a receita associada é estimada pela equivalência energética do biogás produzido para com o gás liquefeito de petróleo. Os cálculos econômicos indicam inviabilidade do sistema de aquecimento baseado nos coletores solares. O sistema de aquecimento baseado no aproveitamento do calor residual dos gases de escape do conjunto motogerador apresenta viabilidade financeira, mas é considerado tecnicamente inviável devido a insuficiência de produção volumétrica de biogás para abastecimento do conjunto, conforme especificações do fabricante e dados experimentais obtidos. A instalação de coletores solares adicionais viabiliza a implementação do sistema de aquecimento solar. Entretanto, a construção de uma unidade duplicata do biodigestor objeto do estudo de caso apresenta resultado financeiro 146% maior e período para retorno do investimento 65% menor, sendo portanto a solução recomendada para otimização da produção de biogás.
metadata.dc.description.abstracten: The conversion of organic waste into biogas by the process of anaerobic digestion generates environmental benefits by reducing methane emissions and economic benefits by using the gas produced. In small farms this conversion can be performed by low-cost anaerobic digesters, such as the Indian model, processing animal waste. As supported by the literature, better conversion efficiencies can be obtained by establishing optimal temperature conditions for methanogenic bacteria activity. Different methodologies can be applied for heating the organic substrate in biodigesters. In this work, technical and economical parameters of the proposed implementation of two heating systems in an anaerobic biodigester of Indian model taken as a base for the case study are evaluated. Experimental data of biogas volumetric production, chemical composition and time series of internal and external temperatures were collected. From the experimental data, the correlation between indoor and outdoor temperatures and associated biogas production was verified, and moderate positive correlations were obtained between soil temperature and indoor and ambient air temperatures. Correlations involving biogas production were weak positive. The experimental temperature data were used to determine the heat input required to maintain the optimum temperature in the substrate. To provide the required heat input, two heating systems were proposed, one based on the use of solar energy through evacuated tube or flat plates solar collectors and the other based on the use of heat from the exhaust gases of a biogas-fueled motogenerator. The systems based on solar collectors include thermal reservoirs equipped with electric heaters to maintain the temperature during periods of insufficient solar energy collection. Simulations of the solar heating system operation were performed to determine the electrical energy consumption associated with the activation of the electrical heater. For the calculation of the economic parameters, the additional biogas production obtained by the heating was estimated from the literature results and the associated revenue was estimated by the energy equivalence of the biogas produced to the liquefied petroleum gas. The economic calculations indicated that the heating system based on solar collectors was not feasible. The heating system based on the use of the residual heat from the motorgenerator’s exhaust gases presented financial viability, but was considered technically unfeasible due to the insufficient volumetric production of biogas to supply the set, according to the manufacturer’s specifications and experimental data obtained. The installation of additional solar collectors makes the implementation of the solar heating system feasible. However, the construction of a duplicate unit of the biodigester object of the case study presents a 146% higher financial result and a 65% shorter payback period, being therefore the recommended solution for optimizing biogas production.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/jspui/handle/123456789/17128
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 08/08/2023 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais.
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