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BIOMAASSA
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Perspectivas da biomassa namatriz econmico energtica
brasileira
Srgio Valdir BajayDepartamento de Energia, Faculdade de Engenharia Mecnica
e Ncleo Interdisciplinar de Planejamento Energtico (NIPE)
Universidade Estadual de Campinas
Principais rotas tecnolgicas para a utilizao da bioenergia
Calor Combustvel
Combusto
Eletricidade
GasificaoPirlise
LiquefaoHTU
Digesto
Converso termoqumica
Fermentao Extrao(oleaginosas)
Vapor Gs Gs leo Carvo Biogs
Turbinaa vapor
Ciclos combinados,
motores
Sntese Refino Motor a gs Destilao Esterificao
CaC Diesel Etanol Biodiesel
Converso bioqumica
Geraes de biocombustveis
Biocombustveis de 1 gerao: lenha, carvo vegetal, resduos (para combusto), lcool obtido a partir da cana de aucar, beterraba ou cereais, biodiesel, ETBE, etc.
Biocombustveis de 2 gerao: lcool obtido a partir de resduos da biomassa e produtos lignocelulsicos, combustveis sintticos, com destaque para a pirlise e, sobretudo, a gaseificao da biomassa, etc.
lcool
MATRIAS PRIMAS PARA A PRODUO DE ETANOL
ACARES: cana de acar, melao,beterraba, frutas
AMIDOS: milho, mandioca, batata doce, trigo
LIGNOCELULSICOS: resduos agrcolas,lixvia negra,plantaes energticas
PROCESSOS PRODUTIVOS
ACARES: fermentao
AMIDOS: hidrlise e fermentao
LIGNOCELULSICOS: hidrlise,purificao e fermentao
PRINCIPAIS MATRIAS PRIMAS EM USO COMERCIAL
ACARES: cana, melao, beterraba
AMIDOS: milho, trigo
LIGNOCELULSICOS: resduos agrcolas,switchgrass
FATORES IMPORTANTES NA ESCOLHA DA MATRIA PRIMA
Produtividade Balano energtico total (campo e indstria) Custo de produo Requisitos de qualidade de solo e clima Adaptvel tecnologia existente Adequao agricultura familiar ou extensiva Resduos com valor energtico Sazonalidade Usos alternativos Ser uma cultura difundida
Novas tecnologias na rea agrcola
Melhoramento gentico
Ajuste de adubao com mapas de produtividade
Plantio direto
Controle de trfego
Agricultura de preciso
Plantio direto com controle de trfego
Controlado Convencional
3 % 30 %Pisoteio (% da rea)
RAPER & KIRBY, 2006
Potenciais ganhos de produtividade em 20 anos
15Melhoramento gentico com engenharia gentica e agricultura de preciso:
15Ajuste de adubao com mapas de produtividade
10Plantio direto com controle de trfego:
Ganhos de produtividade [%]
Fator
Com estas novas tecnologias, a produtividade agrcola da cana de aucar poder aumentar, neste perodo, de 71 t/ha para 98 t/h e a longevidade do canavial poder crescer de 5 para 10 anos
Fonte: Prof. Oscar Braunbeck, Feagri e NIPE, Unicamp
Avanos tecnolgicos possveis nas destilarias de lcool Extrao: eliminao da lavagem da cana e moendas com acionamento eltrico, ou
difusores. Aumento da eficincia de extrao, de 96,26 para 98% em 2025
Tratamento do caldo: pr-concentrao do caldo em 6 estgios e esterilizao do mosto. O rendimento pode aumentar de 99,5 para 99,75% em 2025
Fermentao: processo Melle Boinot ou contnuo, em 3 estgios, a temperaturas mais baixas, maior grau alcolico (9,5 oGL para 12 oGL em 2025), linhagens especficas, eliminao de infeces e da floculao, abolio do emprego de antibiticos. O rendimento pode aumentar de 89,7 para 92% em 2025
Destilao e retificao: reformulao das partes internas dos aparelhos, controle automtico, aumento da capacidade dos equipamentos para 1000 m/dia, introduo da destilao com mltiplos efeitos (2 efeitos: vcuo e atmosfrico, e 3 efeitos: vcuo, atmosfrico e sobre-presso). O rendimento pode aumentar de 99,5 para 99,75% em 2025
Desidratao: introduo da desidratao azeotrpica com cicloexano, com 3 efeitos: vcuo, atmosfrico e sobre-presso, e de processos de per vaporao
Produo de vinhoto: reduo do volume por concentrao trmica em 6 estgios, cristalizao de sulfatos, biodigesto termoflica e desulfurizao biolgica, introduo de concentrao por membranas. A produo de vinhoto pode diminuir de 9,2 para 7,1 litros por litro de AEAC em 2025
Fonte: Carlos Rossel, NIPE/Unicamp
Avanos tecnolgicos possveis nas destilarias de lcool
Com esta medidas, pode-se alcanar os seguintes ganhos de produtividade em 2025: Aumento do rendimento industrial de 88,3 para 92,5
litros de AEAC por tonelada de cana (TC) Diminuio do consumo de vapor de 493 para 372 kg/TC Diminuio do consumo de gua de mais de 1 para
menos do que 1 m3/TC
Fonte: Carlos Rossel, NIPE/Unicamp
Perfil da gerao de eletricidade e vapor de processo em unidades de cogerao nas destilarias em 2025,
caso no haja produo de lcool por hidrlise Entre 2013 e 2025 a expanso da gerao de eletricidade
deve ocorrer com a introduo de sistemas de cogerao de 90 bar/520C, caso no haja produo de etanol por hidrlise;
A gerao de vapor deve ocorrer com emprego de bagao e palha;
Recuperao de 50% da palha; Reduo do vapor de processo para 372 kg/tc; Total eletrificao dos acionamentos; Turbinas de extrao-condensao; 4.000 horas de operao na safra e 3.360 horas na entre
safra
Fonte: Prof. Arnaldo Walter, FEM e NIPE, Unicamp
Perfil da gerao de eletricidade e vapor de processo em unidades de cogerao nas destilarias em 2025,
caso haja produo de lcool por hidrlise
Entre 2013 e 2025 a expanso da gerao de eletricidade deve ocorrer com a introduo de sistemas de cogerao de 90 bar/520C, caso haja produo de etanol por hidrlise;
A gerao de vapor deve ocorrer com o uso da palha, da lignina e de 20 a 25% de bagao;
Recuperao de 50% da palha; Consumo de vapor de processo de 520 kg/tc, por conta da
demanda adicional do processo de hidrlise; Total eletrificao dos acionamentos; e Apenas turbinas de contra-presso e operao apenas durante
a safra
Fonte: Prof. Arnaldo Walter, FEM e NIPE, Unicamp
Produo de lcool a partir do bagao da cana
O bagao integral da cana (fibra mais medula) constitudo por 36% de celulose, 26% de hemicelulose e 20% de lignina, entre outros componentes
A hidrlise, cida ou enzimtica, permite que a celulose e a hemicelulose do bagao sejam convertidos em etanol
A converso de biomassa lignocelulsica em lcool pode ocorrer em duas etapas, ou em uma s
Na converso em duas etapas, a hidrlise, cida ou enzimtica, constitui a primeira etapa. Ela produz aucares, que, aps a etapa de fermentao,se transformam em lcool
H dois processos de converso em uma s etapa: o SFS e o CDM
No processo SFS, a fermentao e a sacarificao so simultneas
O processo CDM, de converso microbiana direta, combina a produo de enzimas, a hidrlise da celulose e a fermentao da sacarose
Rota tecnolgica escolhida no projeto BIOETANOL, do NIPE(Unicamp)/CTC/USP/UFRJ
Fonte: Slvia Nebra, NIPE, Unicamp
cana moenda(difusor)
caldo
bagao+ palha?
caldeiras Vapor alta
turbinas
Vapor baixa
Energia eltrica
Pr-tratamento Hidrlise enzimtica fermentao
vinho
destilao
lcool
Lignina, resduos
vinhoto
Produoenzimas
Sacarose+ gua
condensado retorno
Projeto BIOETANOL
Insero do processo nas plantas existentes
Tipos de pr-tratamento do bagao, antes de sua hidrlise:
Triturao Exploso com vapor (injeo de vapor com despressurizao sbita) Exploso com vapor de amonaco (AFEX) Exploso com dixido de carbono
Com gua quente lquida
Oxidao mida (com gua lquida e oxignio) Hidrlise com lcalis (com hidrxido de sdio diludo) Com solventes orgnicos ou aquosos (metanol, etanol, etc.) Biolgicos com microorganismos (fungos)
Biodiesel
de 2005 a 2007(2% permitido)
de 2008 a 2012(2% obrigatrio)(5% permitido)
A partir de 2012 (5% obrigatrio)
Lei no 11.097/2005 estabeleceu porcentagens mnimas para a mistura de biodiesel com o leo diesel
Programa Nacional de Biodiesel - Legislao
Porcentagens maiores podem ser utilizadas, quando autorizado pela ANP, para testes, ou uso em:
Frotas especficas de veculosTransporte martimo, fluvial, ou ferrovirioGerao de energia eltricaProcessos industriais especficos
Rotas tecnolgicas para a converso de leos vegetais em combustveis
Os leos vegetais podem ser convertidos em combustveis atravs da transesterificao ou do craqueamento (processo HBIO da Petrobrs, por exemplo)
A transesterificao pode empregar catalizadores alcalinos, cidos ou enzimticos, e etanol ou metanol
A transesterificao alcalina tem sido, at agora, a rota mais interessante (cintica mais rpida de reo)
A matria-prima importante na deciso sobre o uso de catlise cida ou bsica
A catlise enzimtica, que promete algumas vantgens, como menos subprodutos, est em fase inicial de desenvolvimento
A transesterificao etlica, mais interessante para o Brasil, apesar de mais complexa que a rota metlica, poder atingir nveis equivalentes de qualidade
Matrias-primas para a converso de leos vegetais em combustveis
A matria-prima utilizada afeta os requerimentos de processo, os rendimentos e a qualidade do biodiesel produzido
O biodiesel pode ser produzido a partir de diversas matrias-primas, tais como leos vegetais, gorduras animais e leos e gorduras residuais
As matrias-primas consideradas mais promissoras, por enquanto, no Brasil, so: (i) a soja, por conta do complexo agro-industrial sofisticado e de porte j existente no Pas, sobretudo para as regies sudeste, centro-oeste e sul; (ii) o dend, pela sua elevada produtividade, em l/h, e grande disponibilidade na regio norte; e (iii) a mamona, pela sua facilidade de cultivo no serto nordestino
Os custos de produo ainda so elevados e mais ainda so os custos de oportunidade (preos de venda para aplicaes alternativas). A diferena entre estes dois custos define os nveis de subsdios necessrios
O centro de pesquisas da Petrobrs est desenvolvendo uma rota etlica para a produo de leo de mamona, diretamente a partir de sementes trituradas
HBIO HBIO um processo, desenvolvido e patenteado um processo, desenvolvido e patenteado pela Petrobrpela Petrobrs, de:s, de: Refino de petrleo que utiliza leos vegetais como
matria prima para a obteno de leo diesel
Hidrogenao de uma mistura de leo diesel e leos vegetais
Mamona Girassol Dend AlgodoSoja
O processo HBIO na refinaria
PETRLEO
FCC
DIESEL DD
COQUE DO DIESEL
DIESEL FCC
HDTexistente
OUTRASFRAES DO DIESEL
DIESELGasleo
resduo
LEOSVEGETAIS
ProcessoHBIO
DESTILAOATMOSFRICA
DESTILAO VCUO
COQUEAMENTORETARDADO
resduo
FCC Craqueamento catalticoHDT - Hidrotratamento
HBIO e biodiesel
Novos desafios tecnolgicos e organizacionais
Produo integrada de alimentos e combustveis Em pequena escala (trabalho desenvolvido pelo Prof.
Enrique Ortega, da FEA, Unicamp) Em grande escala (vem ganhando destaque em estudos
prospectivos sobre biocombustveis no futuro, sobretudo na Unio Europia)
Bio-refinarias (tese de doutorado em planejamento de sistemas energticos, orientado por Isaias Macedo, do NIPE, Unicamp)
Para Fonte de PCH, Biomassa e Para Fonte de PCH, Biomassa e EElica;lica;
Prioridade ao Produtor Prioridade ao Produtor Independente Autnomo Independente Autnomo PIA;PIA;
AquisiAquisio de 3.300 MW de o de 3.300 MW de Capacidade Instalada, pela Capacidade Instalada, pela ELETROBRELETROBRS (20 anos), distribuS (20 anos), distribuda da igualmente por tipo de fonte;igualmente por tipo de fonte;
60% de nacionaliza60% de nacionalizao;o;
SeleSeleo por antiguidade de Liceno por antiguidade de Licena a Ambiental de InstalaAmbiental de Instalao o LI;LI;
DistribuiDistribuio por estado de 20% o por estado de 20% para Biomassa e Epara Biomassa e Elica e 15% para lica e 15% para PCH.PCH.
CARACTERCARACTERSTICAS:STICAS:
SITUASITUAO:07/07O:07/07(em opera(em operao)o)
PCHPCHss
EElicaslicas
BiomassaBiomassa
TotalTotal
1212 215 MW
5
16
868 MW868 MW32983298 MWMW
208 MW
444 MW
63
27
1191 MW
685 MW
1422 MW
Investimentos da ordem de R$ 12,3 bilhes*Investimentos da ordem de R$ 12,3 bilhes*
54
PROINFAPROINFA(Total)(Total)
144144
Em fase de construEm fase de construo: o: 46 PCH46 PCHs s 909 MW909 MW4 e4 elicas licas 47 MW47 MW
4 Biomassa 4 Biomassa 70 MW70 MW
3333
Fonte:Ebrs-setembro/07* Situao julho/07
Leis 10.847 e 10.848/ 2004:
Criao da Empresa de Pesquisa Energtica EPEcom a atribuio de realizar estudos para subsidiar a
atividade de planejamento, coordenada pelo MME
Art. 174 da Constituio Federal:A atividade de planejamento uma funo indelegvel do
governo Elaborao de polticas e diretrizes
Gabinete do Ministro
Consultoria Jurdica
Assessoria Econmica
Secretaria-Executiva
MINISTRO
Secretaria de Secretaria de Secretaria de Secretaria de Planejamento ePlanejamento ePlanejamento ePlanejamento e
Desenvolvimento Desenvolvimento Desenvolvimento Desenvolvimento EnergEnergEnergEnergtico tico tico tico
Secretaria deSecretaria deSecretaria deSecretaria dePetrPetrPetrPetrleo, leo, leo, leo,
GGGGs Natural e s Natural e s Natural e s Natural e CombustCombustCombustCombustveis veis veis veis RenovRenovRenovRenovveis veis veis veis
Secretaria de Secretaria de Secretaria de Secretaria de Energia ElEnergia ElEnergia ElEnergia Eltricatricatricatrica
DNPMANP
ANEEL
AUTARQUIASAUTARQUIASAUTARQUIASAUTARQUIASPETROBRAS
ELETROBRS
ECONOMIA MISTAECONOMIA MISTAECONOMIA MISTAECONOMIA MISTACPRMCBEEEPE
EMPRESAS PEMPRESAS PEMPRESAS PEMPRESAS PBLICASBLICASBLICASBLICAS
Estrutura Organizacional MMEDecreto n. 5.267/2004
Secretaria deSecretaria deSecretaria deSecretaria deGeologia, Geologia, Geologia, Geologia,
MineraMineraMineraMinerao e o e o e o e TransformaTransformaTransformaTransformaoooo
Mineral Mineral Mineral Mineral
Objetivos deste planejamento:subsidiar polticas pblicas para o setor energtico
O atual processo de planejamento no MME
OperaoProjeto
ExecutivoConstruo
ProjetoBsico
Estudo deViabilidade
Estudos de Inventrio
Licitao e Concesso
PLANEJAMENTO DE LONGO PRAZO
Horizonte 20 a 30 anosAtualizaes 4 anos PLANO DECENAL DE
EXPANSOAtualizaes anuais
MONITORAMENTO DA EXPANSO
Horizonte 5 anosAtualizaes mensais
Estimativas Iniciais de
Consumo e Potencial de Oferta
Ciclo de planejamento e implantao dos empreendimentos
POLTICAS E DIRETRIZES
CNPE
3%3,3%
1,8%2,4%4,8%
9%75,7%Hidreltrica 347,8
Gs 22,2
Petrleo 10,9
Carvo 8,5
Nuclear 13,8
Biomassa* 15,2
Importao 41,2
FONTE TWh
Matriz de Energia ElMatriz de Energia Eltricatrica
Fonte : Balano Energtico MME - 2006
TotalTotal459,6 459,6 TWhTWh
Inclui Autoprodutores (41,7 TWh)*Inclui elica (236 GWh)
(Produ(Produo o -- dezembro de 2006)dezembro de 2006)
Fator Unidade Hdrica Biomassa Carvo Nac. NuclearCarvo Import.
Gs Natural Elica
leo Comb. Diesel
Custo varivel unitrio R$/MWh 1,5 14,7 37,5 25,2 54,3 108,6 4,5 300,0 500,0Custo de investimento US$/kW 1.250,0 1.100,0 1.500,0 2.000,0 1.500,0 900,0 1.500,0 800,0 600,0
Tarifa de equilbrio R$/MWh 116,4 121,1 133,3 151,6 152,4 175,0 232,0 382,9 602,2
Avaliao da competitividade entre tecnologias/combustveis para gerar energia eltrica
Fonte: MME, 2007
leo Comb/Diesel
30%
Gs Natural24%
Bagao de Cana3%
Hidreltricas34%
PCH2%
Carvo Mineral7%
LEILES DE ENERGIA NOVA MW mdios
2.4771262282.1961.791546
UHEPCHBagao de Canaleo Comb./Diesel
Gs NaturalCarvo Mineral
Leiles de energia eltrica
Taxas mdias de crescimento do PIB adotadas no PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
2007 2016
Nuclear Proinfa PCH Carvo leo Diesel leo combustvel Biomassa
Evoluo da Matriz Eltrica
Fonte: PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
PDE 2007-2016
1970
2000
2010 2030
Tendncias
Maior diversificao da Matriz: aumento da participao da cana e do gs
Obs.: Os grficos indicam a evoluo da oferta interna de energia.Os energticos destacados explicam pelo menos da Matriz.Fontes: Balano Energtico Nacional e estudos da EPEElaborao: EPE
14%
35%
13%
14%
29%
16%7%3%
14%
6%
7%
18%
46%
16%
12%
38%
48%
Petrleo GsCarvo UrnioHidrulica LenhaCana Outras renovveis
PNE 2030
Consumo final energtico: estrutura por fonte
2005
2030
Elaborao: EPE
2005 2030 Milhes de tep 196 483
2%
6%6% 3%
20%
10%
19%
34%
0%
6%
12% 2%
40%
15%
7%
18%Derivados do PetrleoBiodieselEletricidadeProdutos da canaGs NaturalCarvo mineralCarvo vegetal e lenhaOutros
PNE 2030
rea (106 ha) Produo (106 t/ano)
Tendncias
Expanso do uso da cana-de-acar como energtico
Balano Produo-Consumo de Etanol
Produo Domstica de Cana
Exportao de etanol (% da produo)
106 m3/ano % da produo
106 m3/ano
Elaborao: EPE
0
5
10
15
2005 2010 2020 20300%
10%
20%
30%
Exportao % da produo
4
6
8
10
12
14
2005 2010 2015 2020 2025 2030400
600
800
1.000
1.200
rea plantadaProduo de cana
0
10
20
30
40
50
60
70
1990 2000 2010 2020 2030
ProduoConsumo
PNE 2030
Eletricidade: expanso da gerao de fontes alternativas
780
1.300
6.515
4.653
7.000
19.468
Acrscimo 2005-2030
8.3305.3303.3302.3301.330PCH
4.6823.4822.2821.38229Centrais elicas
6.5714.5212.9711.82156Centrais biomassa
1.30065020000Centrais resduos
1.3801.040650410Acrscimo mdio anual6.9005.2003.2504.118Acrscimo no perodo
20.883
203013.9838.7835.5331.415Capacidade instalada2025202020152005
Unidade: MW
Composio do parque de fontes renovveis2030
Fonte: EPE
39%
23%
32%
6%
PCH Elica Biomassa Resduos
PNE 2030
Fonte: EPE
Investimentos no Setor Energtico2005-2030: US$ 804 bilhes
Evoluo da Matriz Energtica Brasileira
Cana-de-acar
4%
Petrleo e derivados
49%
Eletricidade35%
Gs natural12%
PNE 2030