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de692d Linda Carvalho 2025-03-11 14:41:17
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3
title: Cogeração
4
author:
5
- Maria Ana Castanheira
6
- Patrícia Félix
7
- Linda Carvalho Cosendey
8
date: 2025-03-11
9
tags: #utilidades
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# Cogeração
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15
- **Autor**:
16
- Maria Ana Castanheira
17
- Patrícia Félix
18
- Linda Carvalho Cosendey
19
- **Data**: 2025-03-11
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21
22
## 1. Definição de Cogeração
23
24
A cogeração dá-se pela produção de forma simultânea de energia térmica e elétrica a partir
25
de um único combustível. Assim, aproveita-se o calor residual de processos termodinâmicos que
26
seriam desperdiçados, para processos que podem ou não estar relacionados com o processo
27
principal.
28
29
Esta técnica gasta cerca de 10 a 30% menos de combustível do que seria necessário para
30
produzir a mesma quantidade de energia de forma separada, sendo assim mais favorável ao
31
ambiente. Associado a uma melhor eficiência de conversão energética encontram-se ainda
32
menores custos associados, e melhores condições para favorecer esta situação.
33
34
![Sistema convencional vs sistema de cogeração](./image1.png)
35
36
_**Figura 1.** Sistema convencional vs sistema de cogeração_
37
38
Fonte: COGEN Portugal [^1].
39
40
41
## 2. História
42
43
A produção de biogás é conhecida há séculos, mas sua utilização como
44
fonte de energia ganhou destaque apenas nas últimas décadas. Registros
45
indicam que na Índia e na China o biogás já era utilizado para
46
saneamento básico e geração de energia muito antes da crise do petróleo.
47
No Ocidente, no entanto, só teve sua relevância reconhecida após as
48
crises energéticas do século XX, quando fontes alternativas passaram a
49
ser mais exploradas [^1].
50
51
Inicialmente, o biogás era visto apenas como um subproduto da
52
decomposição anaeróbia de resíduos orgânicos, sendo sua produção
53
associada ao tratamento de efluentes. A principal motivação era reduzir
54
a carga orgânica desses efluentes, mitigando impactos ambientais.
55
Entretanto, com a ratificação do Protocolo de Kyoto e a implementação de
56
mecanismos de desenvolvimento limpo (MDL), além do aumento nos custos
57
dos combustíveis convencionais, a geração de biogás passou a ser
58
reconhecida como uma alternativa energeticamente eficiente e
59
ambientalmente viável [^2].
60
61
O desenvolvimento tecnológico permitiu avanços na produção e no
62
aproveitamento do biogás, tornando-o uma fonte versátil. Ao longo das
63
últimas décadas, consolidou-se como uma solução para reduzir as emissões
64
de gases de efeito estufa e promover a transição energética para fontes
65
mais sustentáveis [^3]. Sua produção está diretamente alinhada com os
66
Objetivos do Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU, contribuindo para
67
um futuro mais equilibrado ao permitir a gestão adequada de resíduos e a
68
eficiência na utilização de recursos naturais [^4].
69
70
Dessa forma, o biogás emerge como uma alternativa promissora, não apenas
71
como fonte renovável de energia, mas também como solução ambiental para
72
a gestão de resíduos, destacando-se como uma tecnologia chave para um
73
desenvolvimento mais sustentável.
74
75
76
## 3. Características
77
78
O próprio nome "bio”gás remete à sua origem biológica. Trata-se de um
79
gás gerado pela decomposição de matéria orgânica em ambientes sem
80
oxigênio, um processo conhecido como digestão anaeróbia. Esse fenômeno
81
ocorre naturalmente em locais como pântanos, lagoas, esterqueiras e no
82
trato digestivo de animais ruminantes. Durante essa decomposição, a
83
matéria orgânica é convertida em um gás composto principalmente por
84
metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), além de pequenas quantidades de
85
hidrogênio (H2), sulfeto de hidrogênio (H2S), nitrogênio (N2), oxigênio
86
(O2), amônia (NH3) e vapor d'água (H2O) [^5].
87
88
A composição exata do biogás depende dos materiais utilizados no
89
processo e das condições em que ocorre a fermentação. O teor de metano
90
pode variar entre 50% e 75%, sendo esse o principal componente
91
responsável pelo poder energético do gás. Já o dióxido de carbono, que
92
pode corresponder a até 50% da mistura, não possui propriedades
93
combustíveis, e sua remoção melhora a eficiência energética do biogás.
94
Por outro lado, o sulfeto de hidrogênio deve ser removido, pois sua
95
presença pode ser corrosiva e prejudicial aos equipamentos [^5] [^6].
96
97
A obtenção do biogás pode ser feita a partir de diversas biomassas, como
98
resíduos agroindustriais, dejetos de animais, resíduos urbanos e
99
subprodutos de processos industriais que envolvem matéria orgânica. Além
100
de gerar energia, a digestão anaeróbia contribui para a gestão
101
sustentável de resíduos, reduzindo seu acúmulo e minimizando impactos
102
ambientais. Outro benefício do processo é a produção de
103
biofertilizantes, que são ricos em nutrientes e podem ser aproveitados
104
na agricultura [^7].
105
106
A composição do biogás pode ser melhor compreendida por meio da Tabela
107
1, que apresenta as concentrações típicas dos seus principais
108
componentes e suas características químicas [^7] [^8].
109
110
_**Tabela 1.** Composição do biogás_
111
112
| Gás | Símbolo | Concentração no biogás (%) |
113
| -------- | ----------------- | -------- |
114
| Metano | CH4 | 50-80 |
115
| Dióxido de carbono | CO2 | 20-40 |
116
| Hidrogênio | H2 | 1-3 |
117
| Nitrogênio | N2 | 0,5-3 |
118
| Gás sulfídrico e outros | H2S . CO . NH3 | 1-5 |
119
120
Fonte: Coldebella, 2006 [^7]; Zanette, 2009 [^8].
121
122
123
## 4. Processos de produção
124
125
A degradação microbiológica de resíduos orgânicos em um ambiente sem
126
oxigênio molecular resulta na produção de biogás e ocorre em quatro
127
fases distintas. Cada fase envolve grupos fisiológicos específicos de
128
bactérias do domínio Archaea (anaeróbios). Inicialmente, as bactérias
129
fermentativas atuam nas etapas de hidrólise e acidogênese. Em seguida,
130
as bactérias acetogênicas são responsáveis pela acetogênese. Por fim, as
131
bactérias metanogênicas realizam a metanogênese, resultando na formação
132
do biogás [^6].
133
134
A Figura 1 ilustra o esquema geral do processo de produção de biogás,
135
que será detalhado a seguir.
136
137
![Esquema de produção de biogás](./image1.png)
138
139
_**Figura 1.** Esquema de produção de biogás_
140
141
Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Rocha e Mendes, 2024 [^6];
142
Rohstoffe, 2010 [^5].
143
144
145
### 4.1 Hidrólise
146
147
A etapa de hidrólise é o primeiro estágio da degradação anaeróbia de
148
resíduos orgânicos e envolve a quebra de macromoléculas em compostos
149
menores e solúveis, facilitando sua absorção pelas bactérias. Nesse
150
processo, as bactérias fermentativas hidrolíticas secretam enzimas
151
extracelulares, conhecidas como hidrolases, que atuam sobre biopolímeros
152
complexos, como polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos e gorduras.
153
Os polissacarídeos são convertidos em açúcares solúveis, como
154
monossacarídeos e dissacarídeos; as proteínas são degradadas em
155
peptídeos e, posteriormente, em aminoácidos; enquanto os lipídios são
156
transformados em ácidos graxos de cadeia longa (C15 a C17) e glicerol
157
[^9].
158
159
### 4.2 Acidogênese
160
161
Na fase de acidogênese, as bactérias fermentativas acidogênicas
162
convertem os materiais solúveis provenientes da hidrólise em ácidos
163
gordos voláteis, como os ácidos acético, propiônico e butírico. Além
164
disso, nesse processo ocorrem a produção de dióxido de carbono e
165
hidrogênio, bem como a formação de pequenas quantidades de ácido lático
166
e álcoois. A composição dos compostos sintetizados nessa etapa varia de
167
acordo com a concentração de hidrogênio intermediário presente no meio
168
[^5].
169
170
### 4.3 Acetogênese
171
172
A etapa de acetogênese é responsável pela conversão dos compostos
173
formados nas fases anteriores em substâncias que possam ser utilizadas
174
pelas bactérias metanogênicas. Nessa fase, ocorre predominantemente a
175
desidrogenação dos ácidos gordos voláteis, resultando na formação de
176
acetato, além da liberação de hidrogênio e dióxido de carbono. Contudo,
177
as bactérias acetogênicas são sensíveis a elevadas concentrações de
178
hidrogênio, sendo essencial que as bactérias metanogênicas consumam esse
179
gás para manter o equilíbrio do processo. Além disso, o hidrogênio e o
180
dióxido de carbono gerados podem reagir entre si, originando mais ácido
181
acético, que também servirá como substrato para a produção final de
182
biogás [^10] [^6].
183
184
### 4.4 Metanogênese
185
186
Na etapa final da produção de biogás, ocorre a formação de metano pelas
187
bactérias metanogênicas. Esses microrganismos anaeróbios convertem o
188
hidrogênio, o dióxido de carbono e o ácido acético em metano e dióxido
189
de carbono. No entanto, são extremamente sensíveis a variações
190
ambientais, como temperatura e pH. As bactérias responsáveis pela
191
produção de biogás são predominantemente mesofílicas, funcionando bem em
192
temperaturas entre 35 e 45ºC. Alterações bruscas na temperatura podem
193
comprometer sua sobrevivência, resultando em uma redução significativa
194
na produção de biogás [^11].
195
196
197
De forma geral, as quatro fases da decomposição anaeróbia acontecem
198
simultaneamente dentro de um sistema de um único estágio. No entanto,
199
como cada grupo de bactérias possui condições ambientais específicas,
200
como preferências de pH e temperatura, é necessário encontrar um
201
equilíbrio adequado na tecnologia utilizada para otimizar o processo e
202
garantir sua eficiência [^5].
203
204
Para ilustrar visualmente os conceitos abordados sobre a produção e
205
utilização do biogás, recomenda-se assistir o vídeo "A Journey into
206
Biogases". O recurso apresenta, de forma objetiva, o processo de geração
207
do biogás e algumas de suas aplicações práticas. Ele está disponível em:
208
[^12].
209
210
211
## 5. Aplicações industriais
212
213
O biogás possui um significativo potencial energético e pode ser
214
utilizado como alternativa a diversas fontes convencionais de energia. A
215
eficiência de sua conversão em eletricidade e calor depende da
216
composição do biogás, especialmente do teor de metano, que influencia
217
diretamente seu poder calorífico. Em condições normais de pressão e
218
temperatura, o metano puro possui um poder calorífico inferior (PCI) de
219
aproximadamente 9,9 kWh/m³. No entanto, em condições típicas de
220
produção, devido à variação na composição do biogás, com teores de
221
metano entre 50% e 80%, seu PCI pode oscilar entre 4,95 e 7,92 kWh/m³.
222
Isso afeta sua equivalência energética com outros combustíveis e sua
223
aplicabilidade em diferentes processos industriais [^13].
224
225
A tabela 2 abaixo apresenta a equivalência energética do biogás em
226
relação a diferentes fontes de energia, conforme valores estimados por
227
diversos autores. Esses valores indicam a quantidade de biogás
228
necessária para fornecer a mesma quantidade de energia que uma unidade
229
de cada combustível listado. A interpretação desses dados é essencial
230
para avaliar o potencial do biogás como substituto de combustíveis
231
convencionais.
232
233
_**Tabela 2.** Equivalência energética do biogás comparado a outras
234
fontes de energias_
235
236
| Energético |Ferraz (1980)[^1]|Sganzerla (1983)[^18]|Nogueira (1986)[^19]|Santos (2000)[^14]|
237
| -------- | ----------------| -------- | -------- | -------- |
238
| Gasolina (L) | 0,61 | 0,613 | 0,61 | 0,6 |
239
| Querosene (L) | 0,58 | 0,579 | 0,62 | - |
240
| Diesel (L) | 0,55 | 0,553 | 0,55 | 0,6 |
241
| GLP (kg) | 0,45 | 0,454 | 1,43 | - |
242
| Álcool (L) | - | 0,79 | 0,80 | - |
243
| Carvão mineral (kg)| - | 0,735 | 0,74 | - |
244
| Lenha (kg) | - | 1,538 | 3,5 | 1,6 |
245
| Eletricidade (kWh) | 1,43 | 1,428 | - | 6,5 |
246
247
Fonte: Muncinelli, 2019 [^13].
248
249
Por exemplo, segundo Ferraz et al, em 1980 [^1], um litro de gasolina
250
equivale a aproximadamente 0,61 m³ de biogás, o que significa que essa
251
quantidade de biogás seria necessária para gerar a mesma energia contida
252
em um litro de gasolina. Para o diesel, os valores são semelhantes,
253
variando entre 0,55 e 0,6 m³ de biogás conforme diferentes fontes. Isso
254
demonstra que o biogás pode ser uma alternativa viável para a
255
substituição desses combustíveis fósseis em aplicações industriais e de
256
transporte.
257
258
Outro ponto relevante é a equivalência com a eletricidade. Ferraz et al
259
[^1] indicam que 1,43 m³ de biogás podem gerar 1 kWh de eletricidade,
260
enquanto Santos [^14], em 2000, apresenta um valor consideravelmente
261
maior, de 6,5 m³ por kWh. Essa discrepância pode ser atribuída a
262
diferenças na eficiência dos sistemas de conversão utilizados nos
263
estudos, bem como à variação na composição do biogás, especialmente em
264
relação ao teor de metano.
265
266
Além disso, a Tabela 2 também compara o biogás com outros combustíveis
267
como gás liquefeito de petróleo, querosene, carvão, lenha e álcool,
268
reforçando seu potencial como fonte energética versátil. Esses dados são
269
fundamentais para embasar a aplicação do biogás em diversas áreas, como
270
substituição do diesel e do gás natural veicular em veículos, seu uso no
271
lugar do gás liquefeito de petróleo em processos industriais e a geração
272
combinada de energia elétrica e térmica.
273
274
A seguir, serão exploradas essas aplicações, seus processos necessários
275
e os impactos na sustentabilidade, de acordo com Muncinelli (2019)
276
[^13].
277
278
### 5.1 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao diesel
279
280
Após passar por etapas de purificação e compressão, o biogás pode
281
representar uma alternativa viável ao óleo diesel, cuja origem está em
282
recursos não renováveis. Para que seja utilizado em motores
283
originalmente projetados para diesel, o biogás deve passar por um
284
processo industrial específico. Esse processo inclui diversas fases, que
285
são apresentadas no diagrama da Figura 2 a seguir.
286
287
![Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao diesel](./image2.png)
288
289
_**Figura 2.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao diesel_
290
291
Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13].
292
293
A substituição do diesel pelo biogás não é completa e exige modificações
294
nos motores para que possam operar de forma bicombustível, combinando
295
diesel e metano. Nessa configuração, a proporção da mistura pode variar,
296
com o diesel representando entre 40% e 100% do total, enquanto o metano
297
pode compor de 0% a 60%. No entanto, uma quantidade mínima de diesel
298
será sempre necessária para garantir o funcionamento adequado do motor.
299
300
Além da economia no consumo de combustível, essa conversão traz
301
benefícios ambientais e reduz a dependência do diesel, o que pode ser
302
estratégico diante de eventuais oscilações no seu fornecimento.
303
304
Segundo a reportagem “Energia limpa: biogás pode ser alternativa ao diesel” disponível em [^15], a utilização do biogás como alternativa ao diesel poderia substituir até 70% do diesel consumido por ônibus e caminhões no Brasil, reduzindo significativamente os custos operacionais com combustível.
305
306
### 5.2 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao gás
307
natural veicular (GNV)
308
309
O biogás, após ser devidamente tratado, também pode ser empregado como
310
combustível em veículos originalmente abastecidos com gás natural
311
veicular (GNV). Para viabilizar essa substituição, é necessário
312
submetê-lo a processos semelhantes para obtenção de diesel, conforme
313
Figura 3.
314
315
![Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GNV](./image3.png)
316
317
_**Figura 3.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GNV_
318
319
Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13].
320
321
Vale destacar que, diferente da substituição do diesel, a troca do GNV
322
pelo metano ocorre de maneira direta e completa, exigindo apenas ajustes
323
simples na configuração dos motores para garantir sua compatibilidade e
324
desempenho adequado.
325
326
### 5.3 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao gás liquefeito do petróleo (GLP)
327
328
O biogás representa uma alternativa sustentável ao GLP, pois, quando
329
tratado para remover impurezas e contendo pelo menos 50% de metano, pode
330
ser empregado em sistemas que utilizam GLP com pequenas adaptações nos
331
queimadores. O que é indicado na Figura 4.
332
333
![Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GLP](./image4.png)
334
335
_**Figura 4.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GLP_
336
337
Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13].
338
339
### 5.4 Aplicação do biogás como alternativa de geração de energia combinada elétrica e calorífica
340
341
Após passar pelo processo de purificação, o biogás pode ser utilizado
342
como combustível na geração simultânea de eletricidade e calor em
343
motores do ciclo Otto projetados especificamente para sua combustão.
344
Esses motogeradores são desenvolvidos para operar com a explosão do
345
biogás, garantindo um aproveitamento eficiente dessa fonte de energia. O
346
procedimento pode ser observado na Figura 5.
347
348
![Aplicação do biogás como alternativa de geração de energia combinada
349
elétrica e calorífica](./image5.png)
350
351
_**Figura 5.** Aplicação do biogás como alternativa de geração de
352
energia combinada elétrica e calorífica_
353
354
Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13].
355
356
Os sistemas de cogeração, conhecidos como “Combined Heat and Power”
357
(CHP), permitem a produção simultânea de eletricidade e calor a partir
358
do biogás. Motores do ciclo Otto adaptados para esse combustível possuem
359
um gerador que permite converter o torque do motor em energia elétrica
360
de forma contínua. Além disso, o calor gerado no processo pode ser
361
reaproveitado em aplicações industriais ou na própria planta de biogás,
362
otimizando o uso da energia e aumentando a eficiência do sistema.
363
364
Nesse sentido, o biogás demonstra ser uma fonte de energia versátil e
365
eficiente, com aplicações que vão desde a substituição de combustíveis
366
fósseis, como diesel, GNV e GLP, até a geração combinada de eletricidade
367
e calor. É importante relembrar que sua viabilidade depende da
368
composição e do tratamento adequado, garantindo, assim, sua
369
compatibilidade com diferentes sistemas energéticos. Além das aplicações
370
abordadas, outras possibilidades podem ser exploradas conforme avanços
371
tecnológicos e necessidades industriais, ampliando ainda mais o seu
372
impacto na transição para fontes energéticas mais sustentáveis.
373
374
375
## 6. Limitações
376
377
Apesar do seu grande potencial energético e da sua contribuição para a
378
transição para fontes renováveis, o biogás enfrenta desafios técnicos e
379
econômicos que devem ser considerados para que sua implementação seja
380
eficaz. A seguir, serão discutidos esses desafios e possíveis soluções
381
para viabilizar o aproveitamento sustentável do biogás.
382
383
### Problemas de armazenagem, transporte e utilização
384
385
O armazenamento, transporte e utilização do biogás apresentam desafios
386
que devem ser geridos para garantir segurança e eficiência. No
387
armazenamento, é essencial considerar a presença de H₂S, que é corrosivo
388
e tóxico, além de equilibrar volume e pressão para otimizar espaço e
389
operação segura [^16]. No transporte, o controle da temperatura é
390
crucial para evitar riscos e perdas [^2]. Já na utilização, é necessário
391
garantir um fornecimento estável e seguro para aplicações como geração
392
de eletricidade, aquecimento e uso como combustível, evitando variações
393
de pressão ou composição que possam comprometer o desempenho dos
394
sistemas [^5].
395
396
### Fumos de combustão com poluentes (SOx, NOx e CO)
397
398
A combustão do biogás gera poluentes atmosféricos, como óxidos de
399
enxofre (SOₓ), óxidos de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO). Os
400
SOₓ resultam da presença de sulfeto de hidrogênio no biogás e podem
401
contribuir para a chuva ácida. Os NOₓ formam-se a partir do nitrogênio
402
do ar durante a combustão em altas temperaturas, sendo responsáveis pelo
403
smog fotoquímico. Já o CO é gerado quando a queima do metano é
404
incompleta, podendo ser tóxico em concentrações elevadas. Para mitigar
405
essas emissões, é essencial purificar o biogás antes da combustão,
406
otimizar a eficiência da queima e controlar a relação ar-combustível
407
[^2].
408
409
### Necessidade de tecnologia para limpeza/purificação
410
411
A purificação do biogás é um requisito essencial para viabilizar seu uso
412
eficiente e seguro pelos consumidores. Como sua composição varia
413
conforme a matéria-prima utilizada e o processo de produção adotado, é
414
necessário empregar tecnologias de limpeza para remover impurezas e
415
componentes indesejáveis. Embora existam métodos físico-químicos
416
consolidados para esse fim, a otimização desses processos continua sendo
417
um desafio na cadeia de suprimento do biogás, reforçando a necessidade
418
de aprimoramento tecnológico para garantir um combustível de qualidade
419
[^3].
420
421
### Elevado investimento econômico
422
423
A geração de biogás requer um investimento inicial elevado,
424
principalmente devido ao alto custo dos equipamentos e da infraestrutura
425
necessária para sua produção [^17]. Além disso, os custos operacionais
426
também são significativos, abrangendo a manutenção dos sistemas, a
427
purificação do gás e a sua distribuição. Esses custos devem ser
428
compensados por receitas adequadas, o que torna essencial um ambiente
429
regulatório favorável, com políticas e incentivos que garantam a
430
viabilidade econômica do setor [^3].
431
432
### Riscos de explosão quando misturado com ar/oxigênio
433
434
A introdução controlada de pequenas quantidades de oxigênio (2-6%) no
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sistema de biogás, utilizando um compressor, é uma técnica eficaz para
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reduzir a concentração de sulfeto de hidrogênio. Esse processo resulta
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na formação de enxofre e água, permitindo uma purificação mais eficiente
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do biogás sem necessidade de produtos químicos ou equipamentos
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complexos, além de ser uma solução de baixo custo. No entanto, é
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fundamental monitorar a quantidade de ar adicionada, pois o biogás pode
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se tornar explosivo quando a mistura atinge uma faixa de 6-12%,
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dependendo do teor de metano presente. Para evitar riscos, é recomendado
443
manter a concentração de metano fora da faixa de 5-15% (em volume) e a
444
concentração de oxigênio abaixo de 15% [^6].
445
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