Feasibility study for the generation of biogas in an automotive industry factory in Brasil by means of a biodigester

Abstract

Resumo: Atualmente, em todo o mundo, vem ganhando interesse a necessidade de novas tecnologias e práticas de redução de poluentes e substituição de energias não renováveis na matriz energética. Uma dessas práticas é o uso da digestão anaeróbia em recipientes fechados conhecidos como biodigestores. A vantagem deste método em relação a outras energias renováveis, é que ao mesmo tempo que se obtém energia a partir da combustão do metano gerado, pode ser considerado como um método de tratamento de resíduos orgânicos. O objetivo principal deste trabalho é estudar a viabilidade de instalação de um biodigestor, para isso, uma empresa automotiva localizada na cidade de Curitiba, estado do Paraná-Brasil, foi tomada como estudo de caso. Na avaliação, a parte econômica foi considerada como o principal fator. A primeira etapa do estudo de viabilidade é entender profundamente a gestão atual dos resíduos orgânicos produzidos na empresa, ou seja, conhecer o tipo de resíduo, quantidades, tratamento, transporte e custos. Em geral, diversos tipos de resíduos orgânicos (principalmente resíduos de cozinha), óleos vegetais, gorduras de restaurantes e resíduos de jardins são os diferentes tipos de resíduos orgânicos gerados, que poderiam ser utilizados no biodigestor. O valor médio total do período 2017-2019 soma aprox. 1.150 toneladas por ano, sendo a maioria redirecionada por terceiros para diferentes instalações que são responsáveis pelo seu tratamento. Esse redirecionamento tem um custo anual de R$ 87.791,40 em transporte e gerenciamento. Conhecendo o tipo de resíduo orgânico e as condições ambientais, o que melhor atende às necessidades é o Continuous flow Stirred Tank Reactor (CSTR), que após busca por fornecedores na região do Paraná, foi contatada a empresa CONATUS ENERGIÁS RENOVÁVEIS. Esta empresa forneceu um orçamento total de instalação e construção de R$ 1.217.600,00. A quantidade de biogás que pode ser gerada é de aprox. 140.000 m3/ano. A energia que pode ser obtida com a combustão do biogás, pode representar uma diminuição no consumo de gás natural, energia elétrica e combustíveis. Essa redução no consumo representa economia para a empresa. A fim de realizar a análise econômica e verificar a viabilidade do projeto, foram utilizados indicadores e ferramentas como fluxo de caixa, receitas, despesas, depreciação, valor presente líquido, taxa interna de retorno e payback. No total, foram analisados 12 casos, três com a quantidade média de resíduos de cada um dos empreendimentos, que são: Biogás em substituição ao Gás Natural, Gasolina ou Diesel. Os 9 casos restantes foram calculados para ter um payback de 2, 5 e 10 anos em cada um dos projetos, a fim de se ter uma ideia da quantidade de substrato e biogás necessários. Os resultados mostraram que para um payback de 2 anos é necessária uma quantidade de substrato entre 3.310 e 4.635 ton/ano. Para um payback de 5 anos 1.880 - 2.675 ton/ano. E para um payback de 10 anos entre 1.405 - 2.025 ton/ano dependendo do tipo de projeto.

Abstract: Nowadays around the world, the need of new technologies and practices regarding reduction of pollutants and the substitution of non-renewable energies in the energy matrix is gaining interest. One of these practices is the use of anaerobic digestion in closed containers known as biodigesters. The advantage of this method compared to other renewable energies, is that at the same time that energy is obtained from the combustion of the generated methane, it can be considered as a method of organic waste treatment. The main objective of this work is to study the feasibility for the installation of a biodigester, for this, an automotive company located in the city of Curitiba, state of Parana-Brazil, was taken as a case study. To carry out this evaluation, the economic part was considered as the main factor. The first step of the feasibility study is thoroughly understand the current management of organic waste produced in the company, that is, know the type of waste, quantities, treatment, transportation, and costs. In general miscellaneous organics (mainly kitchen waste), vegetable oil, fat from restaurants and garden waste are the different types of organic waste generated, which are considered to be used in the biodigester. The total average amount from period 2017-2019 adds up approx. 1,150 tons per year, in which the majority is re-directed by third parties to different facilities for subsequent treatment. This redirection has an annual cost of R$ 87,791.40 in matters of transport and management. Once knowing the type of organic waste, and the environmental conditions, the one that best fulfill the needs is the Continuous flow Stirred Tank Reactor (CSTR), which after a search for providers in the Parana region, a company named CONATUS ENERGIÁS RENOVÁVEIS was contacted. This company provided an installation and construction total quote of R$ 1,217,600.00. The amount of biogas that can be generated is approx. 140,000 m3/year. The energy that can be obtained through the combustion of biogas, may represent a decrease in the consumption of natural gas, electric energy, and fuels. This reduction on consumption represent savings for the company. In order to carry out the economic analysis and verify the viability of the project, indicators and tools such as cash flow, incomes, expenses, depreciation, net present value, internal rate of return and payback, were used. In total, 12 cases were analyzed, three with the average amount of waste for each of the projects, which are: Biogas as a substitution of Natural Gas, Gasoline or Diesel. The remaining 9 cases were calculated to have a payback of 2, 5 and 10 years for each of the projects, in order to have an idea of the amount of substrate and biogas needed. The results showed that to have a payback of 2 years is needed a substrate amount between 3,310 and 4,635 ton/year. For a 5 year payback 1,880 - 2,675 ton/year. And for a 10 year payback between 1,405 - 2,025 ton/year depending on the type of project.

ZUSAMMENFASSUNG: Heutzutage gewinnt weltweit der Bedarf an neuen Technologien und Praktiken zur Reduzierung von Schadstoffen und zur Substitution nicht erneuerbarer Energien in der Energiematrix an Interesse. Eine dieser Techniken ist die Verwendung des anaeroben Aufschlusses in geschlossenen Behältern, die als Biodigester bekannt ist. Der Vorteil dieser Methode gegenüber anderen erneuerbaren Energien besteht darin, dass sie sowohl zur Erzeugung von Methan als auch als Methode zur Behandlung organischer Abfälle angesehen werden kann. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Machbarkeit für die Installation eines Biodigesters zu untersuchen. Dafür wurde ein Automobilunternehmen in der Stadt Curitiba im Bundesstaat Parana-Brasilien als Fallstudie herangezogen. Für diese Bewertung wurde der wirtschaftliche Teil als Hauptfaktor angesehen. Der erste Schritt der Machbarkeitsstudie besteht darin, das derzeitige Management der im Unternehmen produzierten organischen Abfälle genau zu verstehen, die Art der Abfälle, Mengen, Behandlung, Transport und Kosten zu kennen. Im Allgemeinen sind verschiedene organische Abfälle (hauptsächlich Küchenabfälle), Pflanzenöl, Fett aus Restaurants und Gartenabfälle die verschiedenen Arten der organischen Abfälle, die im Bioreaktor verwendet werden können. Die durchschnittliche Gesamtmenge aus dem Zeitraum 2017-2019 beträgt ca. 1.150 Tonnen pro Jahr, wobei die Mehrheit von Dritten zur anschließenden Behandlung an verschiedene Einrichtungen weitergeleitet wird. Diese Behandlung erfordert jährliche Kosten von R$ 87.791,40 in Transport- und Verwaltungsangelegenheiten. Nachdem wir die Art des organischen Abfalls und die Umweltbedingungen kennen, ist der Continuous flow Stirred Tank Reactor (CSTR) der am besten geegneite Reaktortyp. Bei der suche nach Anbietern im Bundesland Paraná wurde ein Unternehmen namens CONATUS ENERGIÁS RENOVÁVEIS kontaktiert. Dieses Unternehmen hat ein Gesamtangebot für Installation und Bau von R$ 1.217.600,00 vorgelegt. Die Menge an Biogas, die erzeugt werden kann, beträgt ca. 140.000 m3/Jahr. Die Energie, die durch die Verbrennung von Biogas gewonnen werden kann, kann eine Verringerung des Verbrauchs von Erdgas, elektrischer Energie und Brennstoffen bedeuten. Diese Verbrauchsreduzierung bedeutet Einsparungen für das Unternehmen. Zur Durchführung der wirtschaftlichen Analyse und zur Überprüfung der Realisierbarkeit des Projekts wurden Indikatoren und Instrumente wie Cashflow, Einnahmen, Ausgaben, Abschreibungen, Barwert, interne Rendite und Amortisation verwendet. Insgesamt wurden 12 Fälle analysiert, drei davon mit der durchschnittlichen Abfallmenge für jedes der Projekte: Biogas als Ersatz für Erdgas, Benzin oder Diesel. Für die verbleibenden 9 Fälle wurde eine Amortisation von 2, 5 und 10 Jahren für jedes der Projekte berechnet, um eine Vorstellung von der Menge an benötigtem Substrat und Biogas zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten, dass für eine Amortisation von 2 Jahren eine Substratmenge zwischen 3.310 und 4.635 Tonnen/Jahr erforderlich ist. Für eine 5-Jahres-Amortisation 1.880 - 2.675 Tonnen/Jahr. Und für eine 10-jährige Amortisation zwischen 1.405 - 2.025 Tonnen/Jahr, abhängig von der Art des Projekts.