BIOMASSA COMO FONTE DE ENERGIA PARA A GERAO TERMELTRICA
Eng. lvaro LcioConsultor Tcnico
BIOMASSA COMO FONTE DE ENERGIA PARA A GERAO TERMELTRICA
1 A BIOMASSA CULTIVADA COMO FONTE DE ENERGIA ECOLOGICAMENTE
CORRETA
O Brasil um pas que dispe das condies ideais para aproveitamento
da biomassa como combustvel para a gerao termoeltrica, ou como
substituto dos derivados de petrleo, ou como matria prima para a
fabricao de carvo vegetal. Elevada taxa de insolao, e
disponibilidade de grandes reas para o reflorestamento, permite a
utilizao dessa fonte de energia renovvel em escala muito mais
elevada do que em qualquer outro pas. Alm disto a utilizao da
biomassa cultivada como fonte de combustvel benfica ao meio
ambiente. Ao se queimar um combustvel fssil, gs carbnico lanado
para a atmosfera. O aumento da concentrao desse gs na atmosfera do
planeta acarreta uma elevao gradual da temperatura, o assim
denominado efeito estufa. O efeito estufa causado pelo bloqueio que
o gs carbnico provoca irradiao solar refletida pela terra. Ao se
queimar biomassa, gs carbnico lanado para a atmosfera, tal como no
caso do combustvel fssil. Mas durante a fase de crescimento da
floresta cultivada, gs carbnico absorvido da atmosfera e oxignio
liberado para a mesma. O balano final favorvel ao meio ambiente,
pois a quantidade de gs carbnico absorvido da atmosfera superior
quantidade desprendida durante a combusto, e a quantidade de
oxignio lanada pela biomassa em crescimento, superior ao consumido
no processo de combusto. Alem disto o oxignio contribui para a
recuperao do oznio atravs do equilbrio termodinmico oxignio -
oznio. Tratando-se de uma fonte renovvel de energia, a biomassa
cultivada tem, portanto, um grande futuro no Pas, pois necessrio
ter sempre em mente a finitude dos combustveis fsseis.
importante mencionar que o mercado de carbono representa a
possibilidade de financiamento dos investimentos para paises em
desenvolvimento, por meio do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
(MDL), um dos recursos previstos no Protocolo de Quioto. Pelo MDL,
os paises desenvolvidos, com metas de reduo de emisso de gases do
efeito estufa, podem investir em projetos que estejam sendo
desenvolvidos em pases em desenvolvimento e que no emitam ou
seqestrem gases que causam o efeito estufa.
2 INFLUNCIA DA UMIDADE DA MADEIRA SOBRE O PODER CALORFICO
INFERIOR DA MESMA.
Para se utilizar biomassa como fonte de energia trmica necessrio
que o teor de umidade da mesma no ultrapasse a faixa de 30 - 35%
(b.u.). Uma limitao para a utilizao da biomassa como combustvel a
umidade contida na mesma. A umidade diminui o poder calorfico
inferior da madeira devido ao consumo trmico na vaporizao da gua.
No momento do corte a madeira tem em mdia 50% de umidade. Ou seja,
para cada cem quilos de madeira anidra a ser utilizada como
combustvel necessrio vaporizar cem quilos de gua. A umidade da
madeira reduzida pela simples exposio da mesma ao ar atmosfrico
durante um certo tempo. Nas condies climticas da regio central
do Brasil, a umidade da madeira reduzida de 50 para 30 - 35% pela
secagem natural ao ar atmosfrico durante cerca de 120 dias. Esse
armazenamento aumenta o custo da energia gerada pela biomassa
devido mo de obra para o manuseio e ao nus financeiro representado
pela estocagem da madeira durante o tempo necessrio para a secagem.
A importncia da secagem da madeira evidenciada na figura 1, que
mostra a influncia da umidade da madeira sobre o poder calorfico
inferior da mesma. A secagem ao ar atmosfrico limita a reduo da
umidade da madeira at o nvel de 30 35%. Nveis inferiores exigiriam
um tempo excessivamente longo de exposio ao ar atmosfrico.
A figura 1 mostra a convenincia de se levar a umidade da madeira
a um nvel prximo de zero, ao estado conhecido como madeira anidra.
Ao diminuir o PCI, a umidade limita a distncia que a biomassa pode
ser transportada. A obteno de madeira anidra a partir da madeira
recentemente cortada pode ser feita atravs do secador que utiliza o
processo DPC.
3 O PROCESSO DPC DE SECAGEM DA BIOMASSA
O processo DPC foi inicialmente desenvolvido visando estabelecer
uma tecnologia adequada para a carbonizao da madeira. Durante a
carbonizao da madeira trs fases distintas ocorrem: secagem, pirlise
e resfriamento. Nos processos primitivos de carbonizao os nicos
utilizados no Brasil uma considervel superposio dessas etapas
ocorre, o que impede a interrupo do processo na etapa de secagem. O
processo de carbonizao se inicia pela eliminao da gua de umidade da
madeira. A continuao do processo de secagem conduz a um estado
intermedirio entre a madeira e o carvo vegetal, que podemos
denominar madeira torrada. O valor energtico da madeira torrada est
entre o da madeira seca e o do carvo vegetal. Sob o ponto de vista
de poder calorfico, apresentamos na tabela 1 o poder calorfico
inferior dos produtos derivados da madeira.
TABELA 1PODER CALORFICO INFERIOR DOS PRODUTOS DERIVADOS DA
MADEIRA
Madeira verde6.275 8.370 KJ/kg
Madeira seca ao ar11.300 12.550 KJ/kg
Madeira anidra18.830 19.660 KJ/kg
Madeira torrada22.600 23.000 KJ/kg
Carvo vegetal26.800 31.400 KJ/kg
Atualmente no h utilizao em larga escala da madeira torrada,
porque os processos atuais de obteno da madeira anidra ou torrada
apresentam dificuldade no controle da operao de modo a se evitar o
inicio de carbonizao da matria vegetal. O produto obtido uma
mistura de madeira no completamente seca com madeira em inicio de
carbonizao.
A dificuldade de se conseguir madeira anidra ou madeira torrada
reside na necessidade de um grande aporte de calor para a vaporizao
da gua em um intervalo estreito de temperatura. Se a temperatura no
processo de secagem da madeira ultrapassar 280C desenvolvem-se de
modo incontrolvel reaes exotrmicas que conduzem ao carvo vegetal. O
limite superior de temperatura do processo de obteno da madeira
anidra ou torrada est, portanto, na faixa 260 - 270C, pois
necessrio evitar o inicio da fase exotrmica. Produzida em fase
endotrmica a dificuldade est na exigncia de um grande aporte de
calor do exterior numa faixa estreita de temperatura.
Para contornar o problema da heterogeneidade do produto, e para
evitar o armazenamento da madeira ao ar atmosfrico para a secagem,
idealizamos o processo DPC que permite interromper a carbonizao da
madeira na etapa madeira torrada ou madeira anidra. Para a utilizao
de qualquer um desses produtos para a gerao termoeltrica ou como
substituto de um combustvel fssil, muito conveniente a gaseificao
prvia, utilizando-se deste modo gs pobre de madeira como combustvel
na caldeira de gerao de vapor, ou no forno industrial no qual se
deseja a mencionada substituio. Em qualquer desses casos utiliza-se
como fonte de energia trmica para a secagem da biomassa, os gases
combustos provenientes do processo.
A figura 2 mostra um esquema simplificado do processo DPC de
carbonizao da madeira. Basicamente o processo DPC se baseia na
utilizao dos gases desprendidos pela madeira na fase de carbonizao
como fonte de energia para atender as necessidades trmicas do
processo. Quando o objetivo somente secar a biomassa, no h
desprendimento de gases combustveis, pois o processo interrompido
antes do inicio da carbonizao. Se a secagem da biomassa for
efetuada prxima ao ponto de consumo, utiliza-se como fonte de
energia os gases combustos provenientes do forno de queima dos
produtos cermicos. Se for de interesse evitar o transporte da gua
de umidade, pode-se efetuar a secagem no local de colheita da
floresta. O consumo de lenha para esta secagem da ordem de 10% do
peso da
madeira enfornada. Alem de se evitar o frete da gua de umidade,
elimina-se a estocagem e as operaes de manuseio para a secagem ao
ar atmosfrico at o nvel de 30 35% de umidade. O processo DPC
apresenta as seguintes caractersticas fundamentais:
3.1 Utiliza como fonte de energia para as necessidades trmicas
da carbonizao da biomassa os gases desprendidos pela madeira
durante a fase da pirlise.
3.2 O rendimento gravimtrico mais elevado do que nos processos
tradicionais nos quais parte d a madeira enfornada queimada para
atender as necessidades trmicas da carbonizao.
3.3 Os processos tradicionais de carbonizao em primitivos fornos
de alvenaria os nicos usados no Brasil so altamente poluentes
devido emisso para a atmosfera dos gases condensveis desprendidos
durante a etapa da pirlise. conhecida de todos a ao irritante
desses gases, que alem disto so cancergenos.
Portanto, entre outras, o processo DPC apresenta duas vantagens
importantes:
i Maior rendimento gravimtrico, o que significa maior durao da
floresta, ou menor rea de reflorestamento para uma determinada
produo.
ii No poluente, apenas gases combustos so desprendidos para a
atmosfera.
4 TIPOS DE BIOMASSA PARA A GERAO TERMELTRICA
Os seguintes tipos de biomassa sero analisados:
resduos de serraria;
madeira proveniente de floresta cultivada;
capim elefante.
Os resduos de serraria consistem principalmente de serragem,
costaneira e cavacos de tamanhos diversos. Essa mistura normalmente
utilizada atravs da queima direta em uma caldeira para a gerao de
vapor acoplada a uma turbina. A umidade dessa mistura elevada, pois
a madeira serrada ainda verde. Sob o ponto de vista de gerao de
energia, consideremos como sendo de 40% a umidade da madeira. Poder
calorfico inferior: 10.380 KJ/kg. Devido o baixo PCI e baixa
densidade aparente, o produto deve ser utilizado prximo ao local
onde gerado, no sendo economicamente vantajoso o transporte do
mesmo. A reduzida densidade aparente implica em baixo valor para a
relao Gcal/(unidade de volume do veculo de transporte). O
aproveitamento dos resduos de serraria para a gerao termeltrica
praticamente a nica opo, pois a proporo dos mesmos em relao ao
total da madeira colhida muito grande, trazendo srios problemas
ambientais. De outro lado, essa a nica situao em que vantajosa a
utilizao da madeira em cavacos.
As seguintes alternativas se apresentam para a utilizao da
madeira proveniente da floresta cultivada como fonte de energia
para a gerao termeltrica.
1 Queima direta da lenha de metro seca ao ar atmosfrico at o
nvel de 35% de umidade. vivel somente para caldeiras de pequena
capacidade.
2 Queima direta do chip de madeira obtido em um picador. A no
ser no caso da utilizao dos resduos de serraria, a madeira em
cavacos apresenta as seguintes desvantagens:
I A madeira deve ser utilizada com umidade elevada, restrio
imposta pelo picador.
II Custo de manuteno elevado, devido necessidade de troca
freqente das lminas.
III Consumo elevado de energia eltrica, da ordem de 5% da
energia gerada.
IV Necessidade de caldeiras com grandes dimenses, devido o baixo
PCI da madeira verde, o que significa investimento mais elevado na
caldeira.
3 Queima direta da madeira anidra ou da madeira torrada. Como
lenha de metro, teria a mesma limitao anterior: no vivel para
caldeiras de grande capacidade, mas ser possvel a utilizao em
caldeiras de maior capacidade se a lenha for serrada em pequenos
toletes, no mximo com 20 cm de comprimento.
4 Gaseificao prvia da madeira seca ao ar atmosfrico at o nvel de
35% de umidade, seguida da queima do gs combustvel gerado.
As vantagens da utilizao de gs pobre proveniente da gaseificao
da madeira so:
I Melhor controle da combusto, pois so evitadas as flutuaes na
relao (ar comburente)/(combustvel) inerentes s fornalhas de queima
direta da madeira.II Maior eficincia trmica do forno.III Custo
inicial aproximadamente metade do custo do picador.IV O
gaseificador praticamente no precisa de manuteno, enquanto que o
picador exige freqente troca das lminas.V Consumo de energia
eltrica do gaseificador 3 a 4 vezes inferior ao do picador. VI No
caso de substituio em fornos previamente existentes do leo pesado
por biomassa, basta a troca do combustor de leo pelo combustor de
gs, ou por um combustor misto leo e gs de madeira capaz de queimar
qualquer proporo dessa mistura de combustveis.
O gaseificador poder ser alimentado com lenha de metro ou com a
madeira serrada em pequenos toletes.
A figura 3 mostra um fluxograma de uma instalao que utiliza
madeira gaseificada em um uma central termeltrica.
5 Secagem da madeira recentemente cortada e posterior
gaseificao.
As vantagens de secar a madeira recentemente cortada em um
secador DPC so:
I Evita o nus financeiro do armazenamento ao ar atmosfrico
durante no mnimo cem dias.
II Eleva o PCI do gs pobre gerado, resultando dimenses menores
da cmara de combusto da caldeira.
A tabela 2 mostra a influncia da umidade da madeira sobre o PCI
do gs combustvel gerado no gaseificador.
TABELA 2 INFLUNCIA DA UMIDADE DA MADEIRA SOBRE O PCI DO GS
GERADO NO GASEIFICADOR
Umidade - % - (b.u.)PCI KJ/Nm3
07.550
57.250
107.100
156.600
206.300
255.860
305.530
355.270
404.730
Como fonte de energia para a secagem da madeira, podero ser
utilizados os gases combustos provenientes da caldeira. Ou,
galhadas e outros resduos florestais se for conveniente secar na
floresta com a finalidade de evitar o transporte para a central
termeltrica da gua de umidade da madeira.
Consideremos a seguir o capim elefante como fonte de energia
para a gerao termeltrica.
O cultivo do capim elefante para fins energticos apresenta as
seguintes vantagens:
Produtividade expressa em toneladas por hectare.ano de biomassa
seca no mnimo 5 vezes maior do que a da floresta de eucalipto.
Permite a colheita de 45 a 90 dias aps a semeadura, enquanto so
necessrios 7 anos para o primeiro corte da floresta de
eucalipto.
Tem grande significado social, porque pode ser cultivado em
pequenas propriedades agrcolas o que no acontece com a floresta de
eucalipto.
Setores do Ministrio da Agricultura da Inglaterra encarregados
da pesquisa de alternativas energticas para o futuro chegaram
concluso de que a biomassa cultivada poder ser o combustvel do
futuro, e que o capim elefante se apresenta como a melhor
alternativa. Uma usina termoeltrica capacidade 36 MW est instalada
em Cambridge Inglaterra utilizando como combustvel capim elefante.
Na Inglaterra pas que no se destaca pela taxa de insolao a
produtividade do capim elefante de cerca de 22 t de massa seca por
hectare.ano. No Brasil possvel alcanar 60 t/hectare.ano
A Unio Europia tem como objetivo para 2010 utilizar como fonte
de energia para a gerao termeltrica 39% de energia renovvel.
A utilizao do capim elefante como fonte energtica exige a
secagem ao nvel de anidro ou torrado, ou a carbonizao prvia do
mesmo. Tanto a secagem como a carbonizao do capim elefante, podem
ser efetuadas pelo processo DPC.
O capim elefante torrado ou carbonizado o combustvel ideal para
ser utilizado em substituio ao leo pesado ou ao gs natural em
caldeiras que consomem derivados do petrleo. A tecnologia do uso de
combustvel slido micro-pulverizado est consolidada no Brasil, e
utilizada em vrios setores, principalmente na industria do cimento.
O carvo vegetal para fins energticos proveniente do capim elefante,
dever ser fabricado de modo a conter elevado teor de volteis, sendo
o combustvel ideal para ser utilizado aps moagem, porque devido o
elevado teor de matrias volteis, apresenta tima flamabilidade,
produzindo uma chama muito irradiante. Denominaremos abreviadamente
CAV. O CAV micro-pulverizado transportado em fase densa, na qual o
conjunto gs inerte de transporte mais os finos do CAV se comporta
como um fluido, tal como no caso do leo pesado. A substituio do
combustvel derivado do petrleo feita desse modo simplesmente
trocando o combustor de leo pesado por um combustor misto capaz de
queimar leo e/ou CAV - micro-pulverizado em qualquer proporo.
A Samarco, empresa que produz 12,5 milhes de toneladas de
pelotas de minrio de ferro por ano em Anchieta (ES) pretende
substituir o antracito importado utilizado atualmente por carvo
vegetal proveniente do capim elefante. O Grupo Votorantim pretende
substituir parte do leo pesado consumido atualmente na planta de
Niquelndia Gois, por CAV micro-pulverizado proveniente do capim
elefante.
Acreditamos que o uso do capim elefante como fonte energtica em
substituio ao leo pesado, associado ao programa do lcool motor,
podero tornar o Brasil independente da importao de petrleo. Alem
disto, importante frisar o alcance social desta alternativa
energtica: o cultivo do capim elefante est ao alcance de qualquer
pequeno agricultor, o que no ocorre com a floresta de
eucalipto.
As alternativas para utilizao do capim elefante como fonte
energtica para a gerao termeltrica so:
I Anidro ou torrado em mistura com resduos de serraria, quando
se deseja aumentar a gerao de vapor na termoeltrica da serraria, ou
como substituto na eventual dificuldade de transporte ou falta
desses resduos.
II Torrado ou carbonizado em substituio parcial ou total do
combustvel fssil utilizado na central termeltrica. No caso da
substituio total haver uma queda na produo de
vapor da caldeira em virtude do PCI inferior do CAV em relao ao
leo pesado,o que dever ser previamente analisado.
III Torrado ou carbonizado em uma central termoeltrica nova,
quando ento o projeto da caldeira dever ser adequado ao CAV.
A figura 4 apresenta um fluxograma de uma central termoeltrica
que utiliza CAV como fonte de energia.
6 ANLISE ECONMICA
O cultivo da biomassa para fins energticos considerado
vantajosamente econmico quando o custo unitrio da energia gerada
pela mesma inferior ao dos derivados do petrleo. A comparao da
biomassa energtica com outros combustveis deve levar em considerao
o transporte da biomassa at o ponto de consumo, sendo necessrio
considerar o fator GJ por metro cbico de espao que a biomassa ocupa
no veculo de transporte, em geral caminho.
Esse fator limita a distncia de transporte da biomassa mida, da
a vantagem da utilizao do processo DPC para a secagem da mesma, o
que viabiliza o seu transporte para distncias mais longas.
A seguir uma comparao do custo unitrio da energia eltrica gerada
pela biomassa cultivada com o custo unitrio da energia eltrica
fornecida pelo leo pesado e pelo gs natural.
As bases para o clculo do custo unitrio da energia eltrica
gerada pela biomassa cultivada foram:
I - Custo mdio por estreo de lenha no estado de Minas
Gerais.
II De acordo com o estado atual da arte foram adotados os
seguintes rendimentos dos sistemas de turbogerao em turbinas com
ciclo aberto: 20% para a queima direta da lenha em cavacos ou da
lenha de metro, e 32% para a madeira gaseificada e o CAV
micro-pulverizado.
III Custo de R$10,00/t dos resduos de serraria.
A tabela 3 mostra o custo da lenha ainda verde, logo aps o
corte.
TABELA 3 CUSTO DA LENHA VERDE
ItemR$/st
Valor da madeira em p7,50
Custo colheita e transporte15,00
Total, exclusive frete e impostos,22,50
O custo de R$22,50 por estreo de madeira verde corresponde a um
custo mdio de R$32,00 por tonelada.
A tabela 4 mostra o custo da madeira seca ao ar at o nvel de 35%
de umidade, da madeira anidra, e da madeira torrada, exclusive
frete e impostos.
TABELA 4 CUSTO DA MADEIRA SECA AO AR, DA MADEIRA ANIDRA, E DA
MADEIRA TORRADA
TipoRelao (t lenha verde)/(t produto)Custo matria prima
R$/tCusto DPC R$/tCusto total R$/t
Seca ao ar1,5449,2849,28
Anidra2,0064,005,0069,00
Torrada2,7086,405,0091,40
A tabela 5 mostra o custo unitrio da energia eltrica gerada pela
madeira seca ao ar at o nvel de 35% de umidade, da madeira anidra e
da madeira torrada para a opo queima direta na caldeira. Esse custo
est expresso em R$/MWh. Para o caso do uso de toletes, deve-se
adicionar 5%, e, para lenha chipada 10% ao custo indicado na tabela
5.
TABELA 5CUSTO UNITRIO DA ENERGIA ELELTRICA GERADA PELA QUEIMA
DIRETA DA MADEIRA SECA AO AR, DA MADEIRA ANIDRA, E DA MADEIRA
TORRADA.
TipoPCI GJ/TMWh/tCusto R$/MWh
Resduos de serraria9,200,519,56
Seca ao ar11,540,6477,00
Anidra26,251,0963,30
Torrada26,251,2573,12
A tabela 6 mostra o custo unitrio da energia eltrica gerada pela
madeira gaseificada.
TABELA 6CUSTO UNITRIO DA ENERGIA ELTRICA GERADA PELA MADEIRA
GASEIFICADA
TipoPCI GJ/TMWh/tCusto R$/MWh
Seca ao ar11,541,0248,31
Anidra19,601,7439,65
Torrada26,252,0045,70
Consideremos a seguir o custo do carvo vegetal proveniente do
capim elefante.
De acordo com a Matsuda Minas fornecedora de sementes de capim
elefante e com o Dr. Herbert Vilela engenheiro agrnomo consultor, o
custo de produo da matria seca d
TABELA 10COMPARAO DO CUSTO UNITRIO DA ENERGIA ELTRICA
CombustvelPCI GJ/tR$/MWhR$comb./R$leo
Madeira seca ao ar gaseif.11,5448,310,31
Madeira anidra gaseificada19,6639,650,26
Madeira torrada gaseificada22,5945,700,30
CAV sem irrigao26,9834,520,22
CAV com irrigao26,9831,740,21
Gs natural33,05145,680,94
leo pesado40,16154,061,00
A tabela 10 no inclui os resduos de serraria.
7 CONCLUSES
7.1 A biomassa cultivada como fonte de energia para a gerao
termeltrica a opo ideal sob o ponto de vista ecolgico.7.2 O custo
unitrio da energia eltrica gerada pela biomassa muito inferior, em
alguns casos um quarto do custo unitrio da energia eltrica pelo leo
pesado.7.3 A utilizao da biomassa cultivada proporciona uma fonte
de energia renovvel.7.4 A biomassa cultivada como fonte de energia
traz para o usurio independncia da disponibilidade e das flutuaes
do custo do petrleo.7.5 A biomassa cultivada como fonte de energia
uma grande geradora de empregos em reas carentes.7.6 O capim
elefante a biomassa cultivada para fins de gerao termeltrica de
menor custo para o MWh.
Belo Horizonte, Outubro de 2002
Prof. Dr. lvaro Lcio
