Metodologia de previsão de potência elétrica de grupos geradores para aproveitamento do metano gerado em aterro sanitário de região com sazonalidade

Abstract

O metano (CH4) de aterro sanitário representa uma importante fonte de energia renovável. Seu aproveitamento tem sido objeto de estudo em diversos trabalhos que estimam as potências disponíveis de grupos geradores a partir da geração de CH4 com periodicidade anual de tempo. Entretanto, esse tipo de análise não produz resultados satisfatórios ao ser aplicada a aterros de regiões com sazonalidade no recebimento de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) ao longo dos meses do ano. A presente pesquisa teve como objetivo geral propor um método de previsão de potência elétrica instalada de grupos geradores na conversão térmica de CH4 de aterro sanitário localizado em região com expressiva sazonalidade no recebimento de RSU, bem como avaliar os aspectos ambientais e econômicos decorrentes. A metodologia de previsão de potência proposta foi estudada mediante a consideração de diferentes cenários de motorização, nos quais foram analisados, de forma comparativa, com metodologia amplamente utilizada na literatura. Os estudos foram aplicados no contexto dos RSU do município de Xangri-Lá/RS. Para tanto, realizou-se a análise gravimétrica e a quantificação dos resíduos, a estimativa de vazões anuais e mensais de CH4 para o período de 2022 até 2062. Foi estimada a potência disponível do aterro e potências instaladas para cada cenário de motorização e estimativa das emissões evitadas de dióxido de carbono equivalente (CO2eq). Ademais, foi analisada a viabilidade econômica e financeira dos cenários considerados. Os resultados da análise gravimétrica demonstraram que a fração majoritária dos RSU (76,70% em massa) é constituída por matéria orgânica. Observou-se que a quantidade de RSU gerado na alta temporada de turismo de litoral (janeiro, fevereiro e dezembro) é cerca de três vezes maior em comparação com a baixa temporada (março a novembro). As previsões de geração de CH4 apresentaram máxima de 12.835,26 103 m3 em 2042, correspondendo à potência elétrica máxima disponível de 3.579,06 kW. O cenário mais vantajoso nos aspectos ambientais e econômicos foi para o de três conjuntos de geradores, dimensionados com a metodologia proposta, inseridos de forma escalonada ao longo do tempo de exploração de 2024 até 2042. As potências instaladas dos grupos geradores foram, respectivamente, 600 kW, 800 kW e 1.400 kW. A operação em máxima capacidade durante todo o período gerou 258,60 GWh, correspondendo a 68 % de aproveitamento do potencial disponível no aterro. As emissões evitadas de CO2eq foram estimadas em 1,63 milhões de toneladas. Os indicadores econômicos e financeiros foram de US$1.601.169,50 para o Valor Presente Líquido (VPL), 15,64% para a Taxa Interna de Retorno (TIR) e 14 anos de Payback. Foi verificada a viabilidade econômica e financeira em dois dos seis cenários avaliados com o uso da metodologia sugerida nesta investigação. Concluiu-se que a aplicação da metodologia proposta na presente pesquisa fornece resultados satisfatórios para regiões com sazonalidade na geração de CH4. Tais resultados sinalizam aos gestores públicos uma grande oportunidade de geração de receita com o aproveitamento energético do CH4 de aterro sanitário, o que contribui para a utilização de fontes energéticas alternativas e amenização dos problemas ambientais associados aos resíduos de aterros.

Abstract: The methane (CH4) from landfills represents an important source of renewable energy. Its use has been the object of study in several studies that estimate the available power of generator sets from the generation of CH4 with annual periodicity of time. However, this type of analysis does not produce satisfactory results when applied to landfills in regions with seasonality in the reception of Municipal Solid Waste (MSW) throughout the months of the year. The general objective of the present research was to propose a method for predicting the installed electric power of generator sets in the thermal conversion of CH4 of a landfill located in a region with significant seasonality in the reception of MSW, as well as to evaluate the environmental and economic aspects resulting from it. The proposed power forecasting methodology was studied by considering different motorization scenarios, which were analyzed in comparison with the methodology widely used in the literature. The studies were applied to the context of the MSW of the city of Xangri-Lá/RS. To this end, a gravimetric analysis and quantification of MSW was performed, and the annual and monthly CH4 flows were estimated for the period from 2022 to 2062. The available power of the landfill and installed power for each motorization scenario were estimated, as well as the avoided emissions of carbon dioxide equivalent (CO2eq). In addition, the economic and financial viability of the scenarios considered was analyzed. The results of the gravimetric analysis demonstrated that the majority fraction of MSW (76.70% by mass) is composed of organic matter. It was observed that the amount of MSW generated during the high tourist season (January, February, and December) is about three times greater than during the low season (March to November). The CH4 generation forecasts showed a maximum of 12,835.26 103 m3 in 2042, corresponding to the maximum available electric power of 3,579.06 kW. The most advantageous scenario in environmental and economic aspects was for the three sets of generators, sized with the proposed methodology, inserted in a staggered manner over the operating time from 2024 to 2042. The installed power of the generator sets were 600 kW, 800 kW, and 1,400 kW, respectively. Operation at maximum capacity during the entire period generated 258.60 GWh, corresponding to 68 % utilization of the potential available at the landfill. The avoided CO2eq emissions were estimated at 1.63 million tons. The economic and financial indicators were US$1,601,169.50 for the Net Present Value (NPV), 15.64% for the Internal Rate of Return (IRR), and 14 years of Payback. The economic and financial viability was verified in two of the six scenarios evaluated with the use of the methodology suggested in this research. It was concluded that the application of the methodology proposed in this research provides satisfactory results for regions with seasonality in CH4 generation. Such results signal to public managers a great opportunity to generate revenue with the energy use of CH4 from landfills, which contributes to the use of alternative energy sources and alleviation of environmental problems associated with landfill waste.