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II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA
A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração
Por: Edgardo Olivares Gómez
Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída – NESTUniversidade Federal de Itajubá – UNIFEI
12 – 13 de Junho de 2007Pirassununga, SP
II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA
A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração
Autores: Edgardo Olivares Gómez
Mónica Andrea Gualdrón MendozaDoris del Socorro Obando Coral
II GERA: Worshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA
A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração
Objetivo:Mostrar o potencial técnico que representam algumas das principais rotas tecnológicas de produção de biocombustíveis de 2a y 3a geração pela plataforma termoquímica, a partir dos subprodutos da cana de açúcar (bagaço e palha de cana) visando-se um modelo energético mais avançado para o setor sucroalcooleiro nacional.
Tecnologias para vetores bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a geração na agroindústria canavieira
Agenda:Panorama sobre cenários de energia – reflexões..
Modelos de produção de bioenergia em larga escala no setor sucroalcooleiro no Brasil – passado e presente.., dados do setor, evolução e consolidação..
Biocombustíveis líquidos de 1a geração no setor sucroalcooleiro nacional – o caso do Etanol Combustível, rota tecnológica, custos, expansão..
Principais atrativos em tecnologias termoquímicas para vetores bioenergéticos líquidos – O syngas de materiais lignocelulósicos, características e aplicações..
Introdução ao cenário de produção de combustíveis de 2ª e 3ª geração – presente e futuro, aspectos tecnológicos, custos..
Pesquisa, desenvolvimento e demonstração de tecnologias – O caso da tecnologia CHOREN para diesel F-T..
Considerações finais..
Fontes de Energia
Fonte: Queiroz, M. S., 2006
Fonte: BEN – MME, 2005
Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta de Energia – CenárioMundial
Consumo de energia mundial de 15,7 bilhões tep (2004)
Fontes de EnergiaEvolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta e Consumo de Energia –
Cenário Nacional
>30%
FR=44-46%
>120 M tepTOTAL >191 M tep
Fonte: BEN – MME, 2005
Fontes de Energia – Cenário Nacional
Extensão territorial 8.5 M km2;População de 176,9 M habitantes (aprox. 3% da população mundial) e PIB de 498,4 bilhões US$-PIB energético de 34,4 bilhões US$ (dólar constante de 2003)Consumo de energia de 180,8.106 tep no ano de 2003 (aprox. 2,6% do consumo mundial em 2001);47% da matriz primária é renovável: hidráulica 14,3% e biomassa32,6% (lenha 14,1% , produtos da cana-de-açúcar 15,4% e outrasfontes 3,1%);Oferta interna de energia-OIE de 201,7 M tep no ano de 2003: petróleo e derivados 40,0%, hidráulica e eletricidade 14,5%, e biomassa 29,6% (biomassa no mundo foi de 11,4% em 2001);Emissões de 1.7 tCO2 /tep (no mundo 2.36 tCO2 /tep ) – 72%
Fonte: BEN – MME, 2004
Fontes Fósseis Líquidas
Cenário Nacional de consumo de Diesel e Gasolina:
Total: 40 bilhões de litros/ano(diesel):- Transporte: 32,1 bilhões litros/ano (80,3%);- Agricultura: 6,51 bilhões litros/ano (16,3%);- Indústria: 0,84 bilhão litros/ano (2,2%);- Outros: 0,45 bilhão litros/ano (1,2%)- Importação de diesel: 6% a 8% do consumo
Total: 17,7 bilhões de litros (gasolina):
Fonte: BEN – MME, 2005
Fontes Fósseis
Rotas de aplicações:
1. Fonte de energia 2. Insumos para produtos químicos
Prospecção:
1. Extensão do período de uso2. Substituição gradativa das fontes fósseis no setor energético e de transportes (fontes renováveis de biomassa)
Fontes de Biomassa – Biomassa Tradicional
Lenha e Carvão Vegetal:
Bagaço de Cana:101,8 M ton (2004) - Uso nas usinas4,6% crescimento em relação 2003Excedente de 8,2 M ton – Uso não energético
Consumo de carvão vegetal:
9,8 M ton (2004), 16,9% crescimento em relação 2003
Fonte: BEN – MME, 2005
Fonte: BEN – MME, 2005
PRINCIPAIS cenários de desenvolvimento tecnológico em rotas energéticas baseadas em vetores biocombustíveisFORMAS DE ENERGIA PARA O
USUÁRIO FINAL FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA PROCESSO PRIMÁRIO
Combustíveis líquidos
Etanol Cana-de-açúcar Fermentação-Destilação
Ethanol Milho, mandioca e sorgo Sacarificação-Fermentação-Destilação
Ethanol Bagaço e palha de cana, switchgrass. etc. Hidrólise (ácida e enzimática)
Metanol Bagaço e palha de cana, casca de arroz, switchgrass, etc.
Gaseificação e sínteseposterior
Biodiesel Dendê, mamona, soja, gordura animal, etc. Transesterificação
Combustíveis F-T Resíduos de Biomassa Gaseificação e síntese posterior
Combustíveis gasosos
Biogás Resíduos sólidos municipais Fermentação Anaeróbica
Hidrogênio Resíduos de Biomassa Reforma de Metanol, Etanol e rota Syngas
Energia elétrica
Energia elétrica Biomassa (casca de arroz, resíduos de madeira, etc.)
Gaseificação, Combustãoe Pirólise
Energia elétrica Bagaço de cana-de-açúcar, Licor Negro, etc. Combustão (Co-geração)
Calor de processo
Carvão vegetal Madeira Carbonização
Calor Resíduos de madeira, biomassa vegetal em geral
Combustão, Gaseificaçãoe Pirólise
Vetores bioenergéticos líquidos de 1a e 2a
geração- Principais prioridades e atrativos no Brasil
1. ETANOL da cana-de-açúcar e outros insumos (mandioca e sorgo) - processo convencional;
2. ETANOL de lignocelulósicos - processo de hidrólise;
3. BIODIESEL de óleos vegetais e outros substratos;4. BIO-ÓLEO de resíduos agroindustriais e florestais
via pirólise rápida para syngas;5. METANOL e Combustíveis Fisher-Tropsh (diesel e
gasolina) via processos de síntese a partir do syngas
Fonte: Elaboração própria, 2005
Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1a
geração – O álcool combustível na Agroindústria Canavieira
Geração de Energia para o Processo
“Velho Conceito”
Modelo Energético do Setor Sucroalcooleiro no Brasil da década de 80
Produção deEtanol
Energia (para o Processo
de fabricação)
Produção de Açúcar
até 40% da E.E. consumida em processo era importada
Bases do modelo:
Dependência • Auto-suficiência em energia térmica...
• Deficiência de energia elétrica... Energética
Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1a
geração – O álcool combustível na Agroindústria CanavieiraModelo de Produção de Bio-energia baseado em um Novo
Conceito de Geração
Produção de Energia em Larga Escala
“Novo Conceito”
Produção deEtanol
Energia e Excedentes de
Energia Elétrica
Excedente de Bagaço de
cana
Bases do modelo:
• Otimização energética dos atuais processos produtivos – ganhos potenciais...
• Adoção de novas e avançadas tecnologias de produção de energia e materiais (Bio-refinarias)
Produção de Açúcar Otimização
Palha de cana
Recuperaçãoeconômica
HidróliseCiclos convencionais/BIG-GT/CC
Syngas para combustíveis líquidos
Ciclos convencionais ou Processos pirólise/gaseificação
Exportação de
Excedentes de EE
ETANOL - PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS
• USO COMERCIAL:AÇÚCARES: Cana-de-Açúcar (caldo e
melaço)
Beterraba
Amidos: Milho e trigo
• FUTURO (etanol de 2ª geração):MATERIAL LIGNOCELULÓSICO: Bagaço e palha de cana, outros..
ETANOL - PROCESSOS PRODUTIVOS
• PLATAFORMA DE AÇÚCARES –FERMENTAÇÃO: Cana-de-Açúcar (caldo e melaço), beterraba..
• PLATAFORMA DE AMIDOS - SACARIFICAÇÃO E FERMENTAÇÃO: Amidos: Milho e trigo
• PLATAFORMA BIOQUÍMICA – (Etanol de 2ª geração) – PRE-TRATAMENTO, HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO: Bagaço e palha de cana, outros..
O Setor Canavieiro Nacional
Característica da cultura.
Evolução da produção brasileira de cana-de-açúcar.
Fonte: MAPA, 2007
O Setor Canavieiro NacionalEvolução da área de produção e da produtividade brasileira de cana-de-açúcar.
7,64 M ha – A. Plantada 6,19 M ha – A. Colhida 458 M ton – Cana 74 ton/ha – R. Médio
Destinação dos ATR da cana para a produção de açúcar e álcool
Fonte: MAPA, 2007
Expansão da produção sucroalcooleira nacional
Localização das usinas no BrasilFonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006)
Expansão “não-induzida”:100% Centro-Sul (60% em SP)
Usinas de capacidade média de 1 M litros de álcool/d (12 mil tcana/d)
Caldeiras com parâmetros do vapor (≥ 65 bar)
Novas usinas
Concentração:N-NE: Zona da Mata Centro-Sul: São Paulo
851 Mha
Expansão da produção sucroalcooleira nacional
ÓtimoBomMédioImpróprio
Bacia AmazônicaPantanalMata Atlântica
Potencial de produção de cana-de-açúcar
com irrigação
Potencial de produção de cana-de-açúcar
sem irrigação
Fonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006
Tecnologias para vetores bioenergéticos líquidos de 1a geração (etanol combustível)
Mixed Juice - Sugar460kgSO2
<1kgLime<1kg
Phosphoric Acid< 1kgWater23kg
Steam280kg
Cooling Water900kg
Dillution Water3kg
Vapor33kg
Cooling WaterSteam
3kg
Juice treatmentfor sugar
Treated Juice458kg
Evaporation
Syrap for sugar73kg
BoilingCristallization
Drying
Sugar55kg
Filter Cake27kg
Vapor Condensate60kg
Syrap for Ethanol
Vapor Condensate 170kgVapor163kg
Steam Condensate230kg
Waste Water921kg
Molasse10kg
Condensate2kg
3
4
Vapor Condensate33kg
Waste Water
Vapor60kg
3
Mixed Juice - Sugar540kg
Water 27kg
Vapor70kg
Juice treatmentfor ethanol
Filter Cake47kg
Vapor Condensate70kg4
Treated Juice520kg
Must561kg
Steam 217kg
Distillation
Hydrous Ethanol25kg/25 l
2nd Ethanol2kg
Fusel Oil<1kg
Vinasse540kg/490 lCondensate
180kgWaste Water
Fermentation
Wine 619kg
CoollingWater
Anhydrous Ethanol19kg/24 l
Clean Cane1000kg
Water: 65-75%Sugars: 12-18%Fibers: 1-2%
1
Water 5000kg
EmbibitionWater300kg
CaneWashing
Milling
Mixed Juice1.020kg
WasteWater
5000kg
Bagasse280kg
Regis L.V.Leal, 2005
Tecnologia
Convencional
Álcool dos açúcares da cana de açúcar
Custos de produção:
~R$ 0,52~R$ 0,89
Álcool dos açúcares da cana de açúcar
Sustentabilidade e Renovabilidade Energética:
Matéria prima Energia Produzida/Energia Consumida
Trigo 1.2
Milho (EUA) 1.3 – 1.8
Beterraba (UE) 1.9
CanaCana--dede--aaçúçúcar (Brasil)car (Brasil) 8.38.3
Gasolina 0.83
Eficiência Energética : GANHO DE COMPETITIVIDADE
Fonte: Macedo, I., 2004; NREL, 2002
Plataformas de conversão para vetores bioenergéticos de 1a, 2a e 3a geração
Fonte: SILVA-LORA, E., 2004
Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2a e 3a geração e produtos químicos
Produtos• Hidrogeno• Álcoois• Gasolina FT• Diesel FT• Olefinas• Oxoquímicos• Amoníaco • SNG
• Hidrogeno• Olefinas•Aceites• Químicos especiais
• Hidrogeno• Metano• Aceites• Outros
Biomassa
gasificação limpeza sínteses
Pirólise purificação Conversão e coleção
Outras conversações* Separação purificação
* Processos de hidrotratamento: Liquefação e outros
Fonte: DOE, 2004
Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2a e 3a geração e produtos químicos-
Rota da pirólise e a gaseificação combinada
Fonte: DOE, 2004
Biocombustíveis de 1ª e 2a geração
Processo
Produto
Grupo
Fermentação/
Esterificação
Bioetanol
Biogás
Biodiesel
GTL
(Gas to liquid)
SynFuel
Diesel sintético
fóssil
CTL
(Coal to liquid)
Synfuel
Diesel sintético
fóssil
BTL
(Biomassto liquid)
SunFuel
Diesel sintético
renovável
BiocombustíveisConvencionais
Combustíveis sintéticos
1a geração de biocombustíveis
2a geração de biocombustíveis
Fonte:VOLKSWAGEN AG, Group Research, Powertrain
Gás Sintético e de Syngas - Conceitos
Gás Sintético:
Mistura trifásica e multicomponentes: CO, H2, CH4, N2, H2O, Hidrocarbonetos C2 e C3, outros compostos gasosos; particulados de charcoal e cinzas, e alcatrão na fase de aerossol.
Syngas:Mistura monofásica (gasosa) e multicomponentes com exigências técnicas dependendo do uso final. O modeloteórico de syngas gerado para a síntese de combustíveis e produtos químicos é basicamente formado por uma mistura de H2 e CO (H2/CO=2).
Geração de gás sintético – Modelos típicos de gaseificadores para biomassa
Leito Fixo
Contracorrente
Leito Fluidizado
Borbulhante
Leito Arraste
Co-corrente Circulante
Pressurizado e não pressurizadoAutotérmico e alotérmico
Com Ar ou oxigênio
Fonte: CHOREN, 2006
Composição do gás sintético em função do tipo de gaseificador
Algumas Tecnologias
LFB LFC Leito FixoFERCO MTCRange Range Purox Shell
Vários Vários Madeira Carvão
23,4 24
67
4
3
0,02
0
1
0
0,04
1
0,36
9,51
39,1
24,4
-
5,47
-
0,05
-
-
-
0,6
-
43,3
9,22
28,1
5,57
4,73
-
0,08
0
0
0
4,6
16,7
14,9
46,5
14,6
-
17,8
-
-
0
0
0
0,3
18
7 a 20
9 a 27
11 a 16
10 a 14
< 9
< 1
-0
0
0
46 a 52
0,6 a 1
4 a 7,5
5 a 26
13 a 27
9
< 18
3 a 11
< 0,11
- 0
< 0,2
0
13 a 56
0,2
4 a 13
Combustível
H2
Combustível
CO2
H2O
CH4
Alcatrão
H2S
O2
NH3
N2
Relação H2/CO
Poder Calorífico (MJ/Nm3)
Fonte: NREL, 2004
Parâmetros de operação e eficiência em projetos demonstrativos de gaseificação de biomassa
Fonte: (NOGUEIRA e SILVA-LORA, 2003)
Empresa Agente de gaseificação
Capacidade (MWt)
Pressão (MPa)
Temp. do leito (°C)
PCI gás (MJ/Nm3)
Eficiência do
gaseificador (%)
Alhstrom/Bioflow
Ar 18 2,4 950-1000 5,0 82-83
TPS Ar 65 0,18 890-920 6,2 77
Lurgi Ar 16 0,10 800 5,8 -
IGT/Renugas
Ar + vapor 20 2,07 830 4,3-4,8 -
BCL Ar + vapor 40 0,2 830 15,6 75-80
Omnifuela Ar 23 0,1 760 4,99 -
a=leito fluidizado convencional
Critérios para processos de produção de Syngas a partir de biomassa – Gaseificação e Purificação do gás
Qualidade do gás
Teor de hidrocarbonetos (Metano, alcatrão, outros) no gás bruto.
Relação H2/CO
Impurezas
Eficiência a frio do gás.
Flexibilidade dos insumos.
Pressão de operação.
Maior potência por unidade / economia de escala
Investimentos em capital e custos de operação
Principais considerações tecnológicas para processos BTL
Fonte: CHOREN, 2006
Porque Syngas de Biomassa?
Biomassa
Produção de gás de síntese a partir de
biomassa
Síntese de combustíveis
Líquidos
Síntese de Fischer-Tropsch
Combustíveis para o mercado existente
Rotas de aplicações para o Syngas
Células combustíveis
MTBECO + H2
Fischer-Tropsch
GasolinaDieselProdutos químicos
H2H2O
WGS
(SNG)Gás Natural Sintético
Gás médio poder calorífico
Metanol(DME)
Isobuteno
Zeólita
Gasolina
Combustíveis Fischer-Tropsch baseados na biomassa - Custos
Componentes do custo
TIJMENSEN (2000)
MITRE(1996)
NOVEM (2000)
Biomassa (ton/dia)
1920 2000 1358
Custo da biomassa, US$
2/GJ38/ton seca
2.45/GJ46/ton seca
3/GJ55/ton seca
Preço da eletricidade, US$
0.057/kWh 0.05/kWh 0.067/kWh
Preço do produto (sem custo de distribuição e taxas), US$
13-30/GJ1.8-4.1/galão
8-14/GJ1.1-1.9/galão
9-13/GJ1.2-1.8/galão
Hidrogênio baseado na biomassa - Custos
Componentes do custo
HAMELINK (2001)
LARSON (1992)
SPATH (2000)
Custo anual 2001 1991 2000
Biomassa (ton/dia)
1920 1650 300-1500(3 plantas)
Custo da biomassa, US$
2/GJ34/ton seca
2/GJ34/ton seca
2.7/GJ46.2/ton seca
Preço eletricidade,
US$
0.03/kWh 0.05/kWh 0.05/kWh
Produçao de H2 (ton/dia)
91-184 134-188 23-114
Preço do H2, US$
8-11/GJ 7-12/GJ 14-21/GJ
Hidrogênio em função do insumo utilizado -Custos
Fonte IEA(1999)
IEA(2001)
McKinley(1990)
BritishGovernment
(1999)
GregoirePadró(1999)
Amick(2003)
Gás natural
US$ 5-6/GJ
US$4,4-
7,5/GJ
US$ 7/GJ US$ 5-7/GJ US$5,97-
7,46/GJ
-
Carvão US$10/GJ
US$10-
12/GJ
US$15/GJ
US$ 10,3/GJ US$9,87-
19,3/GJ
US$ 9-10/GJ
Biomassa - US$12-
13/GJ
US$ 7/GJ - US$8,69-
17,1/GJ
-
Vetor evolutivo das fontes de combustíveis
Evolução dos combustíveis
Gasolina/DieselBaseado no petróleo
SynFuelGTL-Baseado no gás natural CTL-Baseado no carvão
mineral
SunFuel ®BTL-Baseado nos recursos renováveis
HidrogênioBaseado nos recursos renováveis
Fonte: CHOREN, 2006
Cenário de produção de biocombustíveis líquidos de 1ª e 2ª geração –Visão de mercado
Fonte: Elaboração própria, 2005
Custo de Redução de CO2
Fonte: Biofuels for Transport, IEA 2004
O Processo Carbo-V® para syngas - Tecnologia CHOREN
Baixa temperatura –Gaseificador (NTV)
Biomassa
Gás de pirólise
Charcoal
Oxigênio/Vapor
Carbo V ® -Gasificador Uso do
Gás
Gás bruto (Livre dealcatrão)
Condicionamento do Gás
Trocador de Calor
Purificação
Charcoal/Cinza
Vapor
Syngas
Gás ScrubberEscória
Vitrificada
Fonte: Rudloff, Choren Industries, 2005
Tecnologia CHOREN para o Processo Fischer-Tropsch
Gaseificação de três fases
Tratamento do gás
Fischer-Tropsch & Hidrocracking
Fonte: CHOREN, 2006
Estratégias de direção em geração de bioenergia e biomateriais – Conceito de bio-refinaria na Usina
Sucroalcooleira
Fonte: DOE, 2004
Considerações Finais
Elevados potenciais e custos competitivos na produção de etanol combustível no Brasil pela plataforma de açúcar e tecnologia convencional;
Prioridades e atrativos para o desenvolvimento de novos conceitos em geração de bioenergia no setor sucroalcooleiro nacional;
Avanços na gaseificação de biomassa para a produção de syngas;
Novos conceitos em produção integrada otimizada –Biorefinarias;
Minimização dos investimentos de escala
OBRIGADO PELA ATENÇÃO..
Prof. Edgardo Olivares GómezUniversidade Federal de Itajubá – UNIFEINEST-Núcleo de Excelência em Geração
Termelétrica e Distribuída