BRPI0605397B1

BRPI0605397B1 - biogas recovery system and method

Info

Publication number: BRPI0605397B1
Application number: BRPI0605397A
Authority: BR
Inventors: Alexandre Kemenes; Luzia Gomes Ferreira Pavani; Maria Da Consolação Gomes Cunha Fernandes Tavares; Sylvia Souza Forsberg
Original assignee: Alexandre Kemenes; Inst Nac De Pesquisas Da Amazônia Inpa; Luzia Gomes Ferreira Pavani; Maria Da Consolação Gomes Cunha Fernandes Tavares; Sylvia Souza Forsberg
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2016-01-26
Also published as: BRPI0605397A; WO2007112526A1

Abstract

sistema e método de aproveitamento de biogás derivado das águas profundas dos lagos formados pela inundação de terras decorrente da implantação de barragens para produção de energia hidrelétrica, visando reduzir as emissões de metano para a atmosfera, de modo a diminuir substancialmente o aquecimento global por efeito estufa, bem como aproveitar este biogás para a geração de energia. o biogás liberado nas usinas hidroelétricas durante a súbita descompressão da água que passa pelas turbinas, é captado durante e após a passagem pelas turbinas, podendo ser armazenado para ulterior aproveitamento ou queimado localmente em instalações geradoras de energia termoelétrica ou ainda em outros locais caso seja transportado por gasodutos.Deepwater biogas-derived system and method of exploitation of lakes formed by the flooding of lands resulting from the establishment of dams for hydroelectric power production, aiming to reduce methane emissions to the atmosphere, in order to substantially reduce global warming by greenhouse effect. as well as harness this biogas for power generation. Biogas released from hydroelectric power plants during the sudden decompression of water passing through the turbines is captured during and after passing through the turbines and can be stored for later use or burned locally in thermoelectric generating facilities or elsewhere if it is transported. by pipelines.

Description

SISTEMA E MÉTODO DE APROVEITAMENTO DE BIOGÁS Campo da invenção Refere-se a presente invenção ao uso do biogás, derivado das águas profundas de represas durante e após sua passagem pelas turbinas de usinas hidrelétricas, para a redução das emissões atmosféricas de gases de efeito estufa e, mais particularmente, ao aproveitamento deste biogás para a geração de energia.Field of the Invention The present invention relates to the use of biogas, derived from deep water from dams during and after its passage through hydroelectric power plant turbines, for the reduction of atmospheric emissions of greenhouse gases. more particularly the use of this biogas for power generation.

Resumo do estado da técnica O biogás é uma mistura variável de gases biogênicos, compostos predominantemente de metano e gás carbônico que é produzido a partir da decomposição anaeróbica de material orgânico. No caso dos lagos formados pela inundação de terras decorrente da implantação de barragens para produção de energia hidrelétrica, tais reações ocorrem quando estiverem presentes condições anóxicas, independendo da profundidade. Em geral, as águas estagnadas, próximas ao fundo e isoladas da atmosfera apresentam condições favoráveis à metanogênese. Apesar de ser pouco solúvel em água à pressão atmosférica, o metano dissolve-se bem em águas profundas.Background Art Biogas is a variable mixture of biogenic gases, predominantly composed of methane and carbon dioxide that is produced from anaerobic decomposition of organic material. In the case of lakes formed by the flooding of lands resulting from the establishment of dams for hydroelectric power production, such reactions occur when anoxic conditions are present, regardless of depth. In general, stagnant waters near the bottom and isolated from the atmosphere present favorable conditions for methanogenesis. Despite being poorly soluble in water at atmospheric pressure, methane dissolves well in deep water.

Este fato encontra-se ilustrado na Fig. 1, que mostra um gráfico da relação entre a concentração de metano, à temperatura ambiente, em função da profundidade. Este gráfico foi composto a partir de diversas medições efetuadas no decorrer do período de um ano na represa de Balbina e indica valores típicos de concentração de CH4 em partes por milhão. Conforme se observa, a partir de uma profundidade da ordem de 20 metros, equivalente à pressão de três atmosferas, o metano se toma bem solúvel em água, sendo, portanto o biogás produzido e pressurizado naturalmente nas águas profundas de reservatórios de hidrelétricas.This fact is illustrated in Fig. 1, which shows a graph of the relationship between methane concentration at room temperature as a function of depth. This graph was composed from several measurements taken over the course of a year at the Balbina Dam and indicates typical CH4 concentration values in parts per million. As observed, from a depth of about 20 meters, equivalent to the pressure of three atmospheres, methane becomes well soluble in water, so biogas is naturally produced and pressurized in the deep waters of hydroelectric reservoirs.

Quando esta água passa através das turbinas de uma hidrelétrica, a pressão hidrostática diminuí bruscamente e grande parte do biogás presente em solução é emitida imediatamente para a atmosfera. Por ser emitido em um iocal limitado, esse gás pode ser coletado, armazenado e queimado localmente para a produção de energia ou transportado para » » pi ΓΛ /-S 1 Uf" i-\ P I r~\ ΛΛ1 Γ* uhv uni uuu'di Tomando como um primeiro exemplo a represa da usina hidrelétrica de Balbina, estimou-se uma liberação de aproximadamente 297.926,000 metros cúbicos de biogás através das turbinas durante o ano de 2004. Uma vez que as características das represas são diferentes entre si, o teor de metano no biogás varia de represa para represa e de ano para ano. No caso do biogás liberado na represa de Balbina, a porcentagem de metano na mistura gasosa em 2004 foi estimado em 43%. Este valor é inferior ao teor mínimo necessário para uma queima direta (45%), de maneira que o gás metano terá que ser purificado ou enriquecido na mistura antes de queimá-la, caso o objetivo seja a geração de energia. Entretanto em outras represas, como Petit Sault na Guiana Francesa, foram encontrados teores de metano acima deste valor no biogás liberado a jusante das turbinas, permitindo uma queima direta. Evidentemente, qualquer que seja o teor inicial de inetano no biogás, o aumento de sua concentração na mistura resultará em maior poder calorífico do gás, aumentando a eficiência global do processo, seja na queima, no armazenamento ou no bombeamento do gás através de tubulações para outros locais.When this water passes through the turbines of a hydroelectric dam, the hydrostatic pressure drops sharply and much of the biogas present in solution is immediately emitted into the atmosphere. Because it is emitted in a limited location, this gas can be collected, stored and burned locally for energy production or transported to '»pi ΓΛ / -S 1 Uf" i- \ PI r ~ \ ΛΛ1 Γ * uhv uni uuu' Taking as a first example the Balbina hydroelectric dam, a release of approximately 297,926,000 cubic meters of biogas through the turbines was estimated during 2004. Since the characteristics of the dams are different from each other, the The methane content in biogas varies from dam to dam and from year to year.For biogas released from the Balbina Dam, the methane percentage in the gas mixture in 2004 was estimated at 43%. a direct flare (45%), so that methane gas will have to be purified or enriched in the mixture before burning it, if the goal is to generate power. found Methane contents above this value in the biogas released downstream of the turbines, allowing a direct flare. Of course, whatever the initial inetane content of biogas, increasing its concentration in the mixture will result in greater gas calorific value, increasing the overall process efficiency, whether it is burning, storing or pumping gas through pipelines. other locations.

Segundo mencionado, os componentes do biogás colaboram para o aquecimento global através do efeito estufa. Apesar do teor de gás carbônico ser maior que o de metano, a contribuição do último para o efeito estufa é muito superior, uma vez que potencial de aquecimento atmosférico do metano é cerca de 21 vezes maior que o do gás carbônico Para calcular a contribuição potenciai de qualquer gás para o aquecimento global, o fluxo geralmente é convertido em equivalente de gás carbônico, utilizando fatores de conversão que consideram o peso molecular e potencial térmico de cada gás, No caso de metano este fator é 21 Aplicando este fator, a atual contribuição das emissões a jusante do reservatório para o aquecimento global, incluindo os fluxos de C02 e CH4, é de 2.135.000.007 kg em equivalentes de CO2.As mentioned, biogas components contribute to global warming through the greenhouse effect. Although the carbon dioxide content is higher than methane, the latter's contribution to the greenhouse effect is much higher, since methane's atmospheric warming potential is about 21 times higher than that of carbon dioxide. of any gas for global warming, the flow is usually converted to carbon dioxide equivalent using conversion factors that consider the molecular weight and thermal potential of each gas. In the case of methane this factor is 21 The downstream emissions from the reservoir for global warming, including CO2 and CH4 flows, shall be 2,135,000,007 kg CO2 equivalents.

Objetivos da invenção Em vista do exposto, um dos objetivos da presente invenção o aproveitamento do metano ou do bíogás para geração de energia térmica, com outras finalidades industriais.OBJECTS OF THE INVENTION In view of the foregoing, it is an object of the present invention to use methane or biogas for thermal energy generation for other industrial purposes.

Constitui um segundo objetivo o provimento de um sistema que reduza as emissões de metano para a atmosfera, de modo a diminuir substancialmente o aquecimento global por efeito estufa. Esta redução podería ser convertida em de créditos de carbono para o país envolvido. Descrição resumida da invenção Os objetivos citados, bem como outros, são atingidos pela invenção com base no fato de que a mistura gasosa biogênica (biogás), composta predominantemente de metano e gás carbônico, presente nas águas profundas de reservatórios, pode ser eficientemente coletada durante e após a passagem destas águas pelas turbinas de uma usina hidroelétrica e usada para gerar energia, reduzindo no processo as emissões atmosféricas de metano e a contribuição destas usinas ao aquecimento global.A second objective is to provide a system that reduces methane emissions into the atmosphere to substantially reduce global warming by the greenhouse effect. This reduction could be converted into carbon credits for the country involved. Brief Description of the Invention The objectives cited, as well as others, are achieved by the invention based on the fact that the biogenic gas mixture (biogas), predominantly composed of methane and carbon dioxide, present in deep water reservoirs, can be efficiently collected during and after these waters pass through the turbines of a hydroelectric plant and used to generate energy, reducing in the process the atmospheric emissions of methane and the contribution of these plants to global warming.

De acordo com outra característica da invenção, são providos meios de captação dos gases gerados pela súbita descompressão da água utilizada na geração de energia hidrelétrica.According to another feature of the invention, means are provided for capturing the gases generated by the sudden decompression of water used in hydroelectric power generation.

De acordo com outra característica da invenção, ditos meios serão localizados a jusante dos bocais de descarga da água após sua passagem pelas turbinas ou em dutos para a eliminação do biogás durante a sua passagem pelas turbinas.According to another feature of the invention, said means will be located downstream of the water discharge nozzles after their passage through the turbines or in ducts for the elimination of biogas during their passage through the turbines.

De acordo com mais uma característica da invenção, ditos meios seriam providos por câmaras de captação que evitam a saída direta do biogás liberado para a atmosfera.According to a further feature of the invention, said means would be provided by capture chambers which prevent direct release of the released biogas into the atmosphere.

De acordo com mais uma característica da invenção, ditas câmaras de captação seriam seguidas por meios de tratamento do biogás para aumento da concentração do metano. No caso do biogás com teor de metano acima de 45%, este tratamento seria opcional.According to a further feature of the invention, said capture chambers would be followed by biogas treatment means for increasing methane concentration. In the case of biogas with methane content above 45%, this treatment would be optional.

Segundo outra característica da invenção, o metano é armazenado e pode ser transportado para locais remotos através de gasodutos.According to another feature of the invention, methane is stored and can be transported to remote locations via pipelines.

Segundo outra característica da invenção, o metano pode ser queimado localmente em instalações geradoras de energia termoelétrica ou em outros locais caso seja transportado, Segundo outra característica da invenção, o gás carbônico poderia ser utilizado na fabricação de uma série de produtos industriais.According to another feature of the invention, methane can be burned locally in thermoelectric power plants or elsewhere if it is transported. According to another feature of the invention, carbon dioxide could be used in the manufacture of a number of industrial products.

Descrição das figuras As vantagens e demais características da invenção tomar-se-ão mais evidentes mediante a descrição, dada a título de exemplo e não num sentido de limitação, de uma concretização preferida e das figuras que a ela se referem, nas quais: A figura 1 mostra a variação média da concentração de metano e da pressão hidrostática com a profundidade na represa de Balbina em 2004, A figura 2 ilustra de forma simplificada, uma vista em corte de uma barragem e correspondente usina hidroelétrica, bem como o sistema de tratamento, armazenamento, e aproveitamento do biogás, de acordo com os princípios de invenção.DESCRIPTION OF THE FIGURES The advantages and further features of the invention will become more apparent from the description, by way of example rather than limitation, of a preferred embodiment and the accompanying figures in which: Figure 1 shows the average variation of methane concentration and hydrostatic pressure with depth at the Balbina Dam in 2004. Figure 2 shows in simplified form a sectional view of a dam and corresponding hydroelectric power plant as well as the treatment system. , storage, and utilization of biogas in accordance with the principles of the invention.

Descrição detalhada de uma concretização preferida Segundo já mencionado, a invenção se refere ao uso do biogás, derivado das águas de represas durante e após sua passagem pelas turbinas de hidrelétricas, para a geração de energia, e redução das emissões atmosféricas de gases de efeito estufa. O conceito inclui os seguintes elementos distintos: o Uma hidrelétrica pré-existente ou planejada; o Meios para a coleta de biogás; o Meios de purificação/enriquecimento, obrigatórios ou opcionais, dependendo do teor de metano no biogás; o Meios de armazenagem e/ou de transporte do gás, enriquecido ou não; o Um método para gerar energia a partir do biogás ou do gás metano purificado.DETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT As already mentioned, the invention relates to the use of biogas derived from dam waters during and after its passage through hydroelectric turbines for power generation and reduction of atmospheric emissions of greenhouse gases. . The concept includes the following distinct elements: o A pre-existing or planned hydroelectric; o Biogas collection means; o Purification / enrichment means, mandatory or optional, depending on methane content in biogas; o Gas storage and / or transport means, enriched or not; o A method for generating energy from biogas or purified methane gas.

De acordo com a Fig. 2, a usina hidroelétrica está constituída por uma barragem 11 para represamento da água 12 a montante, pelo menos uma turbina hidráulica 13 que é acoplada ao gerador 14 por meio do eixo 15 . A água sob pressão a montante penetra na tubulação 16 que alimenta a turbina e, após passagem por esta última, sai pelo bocal de descarga 17, a uma pressão substancialmente reduzida e igual à atmosférica. A redução de pressão que ocorre na passagem da água pelas turbinas resulta na liberação do biogás que, conforme se verifica no gráfico da Fig. 1, é pouco solúvel na água à pressão atmosférica.According to Fig. 2, the hydroelectric plant is constituted by a dam 11 for damming upstream water 12, at least one hydraulic turbine 13 which is coupled to generator 14 by means of shaft 15. The upstream pressurized water enters the turbine-supply pipe 16 and, after passing through it, exits through the discharge nozzle 17 at a substantially reduced pressure equal to atmospheric pressure. The pressure reduction that occurs in the passage of water through the turbines results in the release of biogas which, as shown in the graph of Fig. 1, is poorly soluble in water at atmospheric pressure.

Diferentes métodos podem ser utilizados para separar, coletar, armazenar, purificar e queimar o biogás, para gerar energia com maior ou menor eficiência.Different methods can be used to separate, collect, store, purify and burn biogas to generate energy more or less efficiently.

Se a porcentagem (por volume) de metano no biogás for maior do que 45% ele pode ser queimado diretamente ou processado para concentrar ou purificar o metano na mistura o que aumentará o potencial calorífico do gás. Se a porcentagem de metano for menor de 45% será necessário purificar ou concentrar o metano presente no biogás antes de queimá-lo. O biogás coletado ou metano derivado do biogás poderá ser queimado para gerar energia próxima à usina hidrelétrica de origem ou pode ser transportado para ser consumido em outras regiões. A energia elétrica gerada próximo ao local de coleta poderá ser transmitida utilizando linhas de transmissão já existentes.If the percentage (by volume) of methane in biogas is greater than 45% it can be directly burned or processed to concentrate or purify methane in the mixture which will increase the calorific potential of the gas. If the methane percentage is less than 45%, it will be necessary to purify or concentrate the methane present in the biogas before burning it. Collected biogas or methane derived from biogas may be flared to generate energy close to the source hydropower plant or may be transported for consumption in other regions. Electricity generated near the collection site may be transmitted using existing transmission lines.

Novas e antigas unidades hidrelétricas podem ser projetadas ou adequadas à coleta e ao aproveitamento do biogás.New and old hydroelectric units may be designed or suitable for the collection and use of biogas.

De acordo com os princípios da invenção e segundo ilustrado na Fig. 2, são providos meios de captação 28 do gás liberado nas turbinas, que é encaminhado a uma câmara de captação 18 que coleta também o gás a jusante das turbinas desprendido da superfície livre da água. O biogás captado é então bombeado, através da tubulação 19, para um equipamento opcional purificador e concentrador 21, destinado a aumentar a concentração de metano contido no biogás. Na concretização ilustrada, o gás enriquecido, que possui alto teor de metano, é encaminhado a um reservatório 22 para posterior aproveitamento como combustível num equipamento de geração termelétrica 23, sendo a energia elétrica produzida encaminhada à rede de distribuição existente 24.In accordance with the principles of the invention and as illustrated in Fig. 2, means are provided for capturing the gas released from the turbines, which is directed to a collection chamber 18 which also collects downstream gas from the turbines released from the free surface of the turbine. Water. The captured biogas is then pumped through tubing 19 to an optional purifying and concentrating equipment 21 to increase the concentration of methane contained in the biogas. In the illustrated embodiment, the enriched gas, which has a high methane content, is sent to a reservoir 22 for later use as fuel in a thermoelectric generation equipment 23, and the produced electricity is routed to the existing distribution network 24.

Outra opção de aproveitamento consiste no transporte do metano ou do biogás para outros locais, mediante o bombeamento através de um gasoduto (não ilustrado). O provimento do reservatório 22 permite que o metano ou biogás possa ser utilizado como fonte auxiliar de energia elétrica nos horários de pico, possibilitando maior eficiência no gerenciamento dos recursos hídricos, bem como um custo menor no equipamento gerador, uma vez que este não precisará ser dimensionado para atender aos picos de demanda. A queima da mistura gasosa e do metano purificado pelo processo descrito, liberará predominantemente gás carbônico e água para a atmosfera terrestre através das saídas 29 e 30. Como o potencial de aquecimento atmosférico do gás carbônico é de cerca de 21 vezes menor que o do metano, isso reduzirá signifícativamente a contribuição da usina para o aquecimento global, podendo esta redução atingir 75%. O gás carbônico liberado na queima do biogás ou metano (29), e aquele isolado durante a purificação do metano (30, opcional) podería ser armazenado e/ou transportado e utilizado na fabricação de uma série de produtos industriais como bebidas gaseificadas, entre outros, sem o consumo de combustíveis fósseis normalmente usados na fabricação de gás carbônico industrial.Another use option is to transport methane or biogas to other locations by pumping through a pipeline (not shown). The provision of reservoir 22 allows methane or biogas to be used as an auxiliary source of electricity at peak times, enabling greater efficiency in water resource management as well as a lower cost in generating equipment as it does not need to be scaled to meet peak demand. Flaring of the gas mixture and purified methane by the described process will predominantly release carbon dioxide and water into the earth's atmosphere through exits 29 and 30. As the atmospheric warming potential of carbon dioxide is about 21 times lower than that of methane. This will significantly reduce the plant's contribution to global warming, and this reduction could reach 75%. Carbon dioxide released from the burning of biogas or methane (29), and that isolated during methane purification (30, optional) could be stored and / or transported and used in the manufacture of a number of industrial products such as carbonated beverages, among others. , without the consumption of fossil fuels normally used in the manufacture of industrial carbon dioxide.

Se bem que a invenção tenha sido descrita com base numa concretização específica, fica entendido que modificações poderão ser introduzidas no sistema proposto, o qual fica definido e delimitado pelo conjunto de reivindicações que se segue.Although the invention has been described on the basis of a specific embodiment, it is understood that modifications may be made to the proposed system which is defined and delimited by the following set of claims.

Claims

1. BIOGAS RELEASE SYSTEM released at hydroelectric plants during the sudden decompression of water passing through the turbines, characterized by: a) provision of means of capture (28) and chamber (18) of said gases during and after turbines (13), such gases being used in thermoelectric power generation equipment and said collection means (28) and collection chamber (18) located downstream of the discharge nozzles (17) after their passage through the turbines (13) or in biogas disposal ducts during their passage through turbines; (b) means for purifying and enriching methane (21) in the captured gas if the methane content in the captured gas is less than 45% by volume; c) gas storage means (22); d) pipe (19) to transport the pumped biogas from the capture chamber (18) to a remote location.

BIOGAS RELEASE METHOD released during and after the passage of water by turbines (13) in hydroelectric plants, according to the system described in claim 1, characterized by the fact that it comprises means of capturing (28) this biogas released by the water used by the company. turbine (13) and its further treatment.

Method according to claim 2, characterized in that said treatment comprises increasing the methane content contained in said biogas if it is less than 45% by volume.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that said treatment comprises storage of biogas in a reservoir (22).

Method according to claim 2 or 3, characterized in that said treatment comprises the step of pumping and transporting biogas to a remote location through piping (19).

Method according to claim 5, characterized in that said treatment comprises combustion of said biogas in thermoelectric generator equipment (23).

Method according to claim 6, characterized in that biogas combustion occurs at peak energy demand times.