Resumo: Este trabalho foca na produção de biogás a partir da vinhaça (subproduto derivado da destilação de etanol) no contexto brasileiro, com os objetivos de: apresentar um modelo matemático da digestão anaeróbica da vinhaça mais preciso; avaliar os balanços de gases de efeito estufa e de energia do etanol quando biogás da vinhaça é produzido e usado; e avaliar os benefícios do biogás da vinhaça quando utilizado como substituto ao óleo fóssil e gás natural como fonte de energia. São apresentados conceitos de digestão anaeróbica e revisão de tecnologias para produzir, dessulfurizar e purificar o biogás, com foco à vinhaça como substrato e ao H2S, contaminante encontrado em grandes quantidades no biogás da vinhaça. Apresenta-se um modelo matemático da digestão anaeróbica que inclui o H2S no biogás, além do CH4 e do CO2, e calcula a eficiência dos reatores com base na retenção da biomassa anaeróbica. O modelo foi calibrado e validado com dados de um reator de grande escala processando vinhaça. Diferentes cenários foram simulados avaliando vazão de biogás, teor de metano e desempenho com e sem decantador, além do teor de H2S. O modelo mostrou alta precisão para o teor de CH4 e média precisão para o teor H2S. O reator otimizado foi capaz de produzir 83% mais metano por volume de reator com metade do tempo de retenção. Nas destilarias, balanços energéticos (EB) e emissões de gases de efeito estufa evitadas (GHGEA) do etanol foram recalculados incluindo o biogás da vinhaça para avaliar seus benefícios. O biogás da vinhaça foi considerado produzindo eletricidade ou biometano. Os resultados mostram que o biogás da vinhaça pode representar melhorias nos indicadores, variando de melhora de 3,5% no EB na geração de eletricidade à melhora de 27,5% na GHGEA pela substituição do diesel nas operações da usina. Também, o potencial do biogás de vinhaça para geração elétrica é examinado e comparado a termelétricas a óleo fóssil em termos de energia, custos e emissões de gases de efeito estufa no Brasil, sugerindo um programa para substituir usinas a óleo por usinas de biogás com benefícios econômicos e ambientais. A possibilidade de uso do biometano da vinhaça em substituição ao gás natural no Estado de São Paulo foi também avaliada, apresentando um programa de incentivo ao biometano que poderia promover reduções de emissões. Por fim, é avaliada a relação do biogás com o etanol em termos de suprimento de energia nos próximos anos, mostrando que energia adicional substancial pode ser obtida e quantidades ainda maiores de combustíveis fósseis poderiam ser substituídas Ver menos

Abstract: This work focusses on biogas production from vinasse (by-product derived from ethanol distillation) with objectives of: presenting a more accurate mathematical model of anaerobic digestion of vinasse; assessing greenhouse gases and energy balances of ethanol when vinasse biogas is produced and used; and assessing the benefits of vinasse biogas used as a substitute for fossil oil and natural gas as energy source. A mathematical model of the anaerobic digestion that includes, besides methane and carbon dioxide, the hydrogen sulfide content on biogas and calculates reactors efficiency based on anaerobic biomass retention is presented. The model was calibrated and validated against data from a large-scale anaerobic reactor processing sugarcane vinasse. Comparative scenarios and set-ups were simulated to investigate the reactor’s performance. Biogas flow, methane content, and yield with and without a settler were evaluated. Quality of predictions was assessed, showing high accuracy for CH4 predictions and medium accuracy for H2S and biogas flow predictions. The optimised modelled reactor was able to produce 83% more methane per volume of reactor with half the retention time. Within the distilleries, the Energy Balance (EB) and Greenhouse Gases Emissions Avoided (GHGEA) of sugarcane ethanol were calculated, including the vinasse biogas, to assess potential benefits. Biogas from vinasse was considered producing electricity or biomethane. Results show that biogas from vinasse can represent improvement in both indicators, which ranges from 3.5% improvement in EB by electricity generation with biogas to 27.5% improvement in GHGEA by replacing diesel in the mill operations. After, the use of vinasse biogas for power generation is examined and compared with fossil oil power plants in terms of energy, costs and greenhouse gas emissions in Brazil, suggesting a program to replace expensive oil power plants by biogas plants with expressive benefits in all aspects. Also, the possibility of using vinasse biomethane to replace natural gas in São Paulo State is evaluated, presenting an incentive program to this new source of energy that could promote considerable emissions reductions. Furthermore, the relation of biogas to ethanol in terms of energy supply in the next years is evaluated, showing that substantial additional energy can be obtained, and larger amounts of fossil fuels can thus be replaced Ver menos