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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
ALLAN DA SILVA SANTOS
RETENÇÃO DO CARBONO DAS EMISSÕES FÓSSEIS EM PILHAS DE
BIOMASSA TORRIFICADA
São Paulo
2014
ALLAN DA SILVA SANTOS
RETENÇÃO DO CARBONO DAS EMISSÕES FÓSSEIS EM PILHAS DE BIOMASSA
TORRIFICADA
Monografia apresentada como
requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de
Materiais.
Orientadora: Dra. Rosa Ana Conte
Lorena, 2014
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA
FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO
Assessoria de Documentação e Informação
Escola de Engenharia de Lorena
Santos, Allan da Silva Retenção do carbono das emissões fósseis em pilhas de biomassa torrificada / Allan da Silva Santos; orientadora Dra. Ana Rosa Conte— Lorena, 2014. 73 f.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais. Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo
1. Dióxido de Carbono 2. Peletas 3. Efeito estufa 4. Energia fóssil. I. Retenção de
carbono das emissões fósseis em pilhas de biomassa torrificada. II. Conte, Rosa
Ana, Orientadora.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha família, namorada e amigos que me apoiaram em todos os
momentos da minha vida.
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores, Prof. Dr. Daltro Pinatti e Prof.ª Dra. Ana Rosa Conte pelas
ideias, aprendizado, colaboração e compreensão no desenvolvimento do trabalho de
graduação.
Aos funcionários, Dainesi, Valdir e Sebastião da instituição pela boa vontade e ajuda
na realização deste trabalho.
Às empresas Madeireira Madersul e Vallourec Florestal pela doação dos materiais
utilizados neste trabalho.
À minha família que sempre esteve ao meu lado
Aos amigos de republica, Vitor Fachini, Vitor Macul, Breno Fonseca, Rafael
Fernandes, Akira Vargas, Victor Bizzi, Rodolfo Peressin, Matheus Morais, Gabriel Padovan
e Caio Morais, com os quais sempre pude contar, seja nos bons ou maus momentos.
Aos amigos da minha cidade natal Eduardo, Anderson, Tales, Fernando, Tarlei,
Augusto, Natalia, Mariana Hummel, Mariana Bastos e Fabienni que estão comigo desde o
ensino fundamental.
Aos amigos da graduação pela amizade, principalmente Renan, Murilo, Marcos,
Renato, Paulinho, Eduardo, Bruno, Amanda, Helena, Geise, Renata, Marina, Mariana
Maffei, Mariah, Mariana de Abreu, Mariana Ongaratto e minha namorada Andressa que
sempre estiveram dispostos a me ajudar.
Agradeço a todos que direta ou indiretamente fizeram parte desse trabalho, seja por
conceitos teóricos ou pelo suporte.
“Se vi mais longe foi por estar de
pé sobre ombros de gigantes”.
Isaac Newton.
RESUMO
SANTOS, A.S. Retenção do carbono das emissões fósseis em pilhas de biomassa
torrificada. 2014. 73f. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia de Materiais) –
Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
As descobertas de novos campos de petróleo e gás natural e as novas tecnologias para
exploração de poços de petróleo, antes dados como esgotados, aumentará significativamente
as reservas de energia fóssil. O sincronismo desta oferta e demanda gerada pela evolução
dos países em desenvolvimento como China e Índia, consequentemente, também aumentará
a emissão de dióxido de carbono (CO2), o qual é considerado um dos gases causadores do
efeito estufa. Os programas da ONU (IPCC, COP’s, Protocolo de Quioto, ...) com intuito de
diminuir as emissões fósseis, não têm apresentado resultados satisfatórios, pois a postura
emocional e descritiva dos ambientalistas assim como o conceito de substituição de uma
forma de energia por outra, deve ser alterada pela integração das energias renováveis e
fosseis (ITERF) visando a um sistema enérgico limpo e sustentável. A energia renovável é
insuficiente para lidar com a demanda crescente hoje existente; já a energia fóssil é poluente,
por isso se torna necessário a integração entre esses dois vetores energéticos No conceito da
ITERF o CO2 não é um gás a ser evitado, mas sim um gás a ser técnico-economicamente
explorado. No presente trabalho é estudada uma nova alternativa para retenção de carbono
das emissões fósseis em pilhas de biomassa torrificada utilizando de resíduos florestais para
a produção de peletas torrificadas. Estas pilhas também poderão atuar como segurança
energética, ou seja, em qualquer crise energética parte das pilhas podem ser parcialmente
consumidas e após, refeitas.
ABSTRACT
SANTOS, A.S. Retention of fossil carbon emissions in bulks of torrefied biomass. 2014.
73p. Monograph (Undergraduate Work in Materials Engineering) – Escola de Engenharia
de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
The discoveries of new oil fields and natural gas and new technologies for exploration of oil
wells, considered depleted before, will significantly increase the reserves of fossil energy.
Consequently, the synchronism of this supply and demand generated by the evolution of the
developing countries like China and India will increase the emission of carbon dioxide
(CO2), which is considered one of the gases causing the greenhouse effect. In order to reduce
fossil emissions, UN programs (IPCC, COP's, The Kyoto Protocol, ...) have not shown
satisfactory results, because the emotional and descriptive stance of environmentalists as
well as the concept of substitution of one form of energy for another one, shall be amended
by the integration of renewables and fossil (TIRFE) aimed at a clean, sustainable energetic
system. Renewable energy is insufficient to cope with the increasing demand nowadays; but
the fossil energy is polluting, so it becomes necessary the integration between these two
energy vectors. According to TIRFE concept, CO2 is not a gas to be avoided, but a gas to be
techno-economically exploited. In this paper we study a new alternative to carbon
sequestration from fossil emissions in bulks of torrefied biomass using forest residues to
produce torrefied pellets. These bulks may also act as energy security, it means in any energy
crisis a part of the bulks can be partially consumed and after that redone.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Consumo de energia por região. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014 .. 19
Figura 2- Consumo de energia por fonte. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014. .. 20
Figura 3- Projeção do consumo de energia. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014.
............................................................................................................................................. 21
Figura 4- Emissões de dióxido de carbono provenientes da energia. Adaptado de EIA,
2013. .................................................................................................................................... 23
Figura 5- O crescimento das emissões de GEE dos BRICS. IEA, 2013 ............................. 24
Figura 6- Emissões de dióxido de carbono por setor. Fonte BRASIL, 2010. ..................... 25
Figura 7- Efeito estufa. Arte D.A Press ............................................................................... 26
Figura 8- Variação na concentração de dióxido de carbono e anomalias. Fonte Braga, 2005.
............................................................................................................................................. 26
Figura 9- Estrutura ITERF. Fonte Pinatti, 2013 .................................................................. 37
Figura 10- Geração de biomassa para produção de H2 e retenção de carbono em pilhas de
celulignina. Fonte Pinatti, 2012. .......................................................................................... 39
Figura 11 - Peletas convencionais. ...................................................................................... 40
Figura 12- Etapas para a produção de peletas. ..................................................................... 41
Figura 13- Peletizadora. Fonte Oliveira, 2012. .................................................................... 43
Figura 14- Balanço de massa e de energia da torrefação. M=unidade de massa; E=unidade
de energia. Adaptado de Bergman, 2005. ............................................................................ 47
Figura 15- Planta de torrefação industrial Pechiney Eletrometalurgia. Fonte Luengo, 2006.
............................................................................................................................................. 49
Figura 16- Planta de torrefação industrial Pillar. Fonte Luengo 2006. ................................ 49
Figura 17- Fluxograma do processo de fabricação de peletas torrificadas. ......................... 50
Figura 18- Misturador mecânico adaptado. ......................................................................... 53
Figura 19- Molde cilíndrico. ................................................................................................ 54
Figura 20- Placa base. .......................................................................................................... 54
Figura 21- Soquete de compactação. ................................................................................... 55
Figura 22- Extrator de corpo-de-prova ................................................................................ 55
Figura 23- Mistura dos materiais. ......................................... Erro! Indicador não definido.
Figura 24- Esquema do ensaio de compactação. ................................................................. 61
Figura 25- Corpo-de-prova moldado. .................................................................................. 62
Figura 26- Fluxograma resumindo o balanço de massa e energia para retenção de todo
carbono das emissões fósseis. .............................................................................................. 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Consumo mundial de energia por combustível em 2013. Fonte BRITISH
PETROLEUM, 2014. .......................................................................................................... 16
Tabela 2- Comparação entre as composições da matriz energética brasileira, mundial e da
OECD, Fonte BRITISH PETROLEUM, 2014; BRASIL, 2014.......................................... 21
Tabela 3- Projeção das emissões de dióxido de carbono. Fonte EIA, 2013. ....................... 23
Tabela 4- Principais aplicações industriais de CO2. Fonte Xavier, 2007. ........................... 33
Tabela 5- Potenciais no sequestro de carbono. Fonte Borges, 2007. ................................... 34
Tabela 6- Consumo de madeira para fins energéticos, Brasil. Fonte BRASIL 2014. ......... 37
Tabela 7- Norma EN14961. Fonte Rasga, 2013. ................................................................. 45
Tabela 8- Propriedades químicas e físicas das amostras de madeira in natura e torrificada.
Fonte Silva, 2014 ................................................................................................................. 47
Tabela 9- Propriedades energéticas da lenha, cavacos, peletas convencionais e torrificadas
e carvão mineral. Fonte Pinatti, 2012 .................................................................................. 50
Tabela 10 - Composição pré-misturado a frio. Fonte DNER-ES 317/97. ........................... 52
Tabela 11- Emissões de CO2 por tonelada equivalente de petróleo. Fonte BRITISH
PETROLEUM, 2014. .......................................................................................................... 58
Tabela 12- Frações de cada material no corpo-de-prova. .................................................... 60
Tabela 13- Resultados da compactação ............................................................................... 61
Tabela 14- Variação na proporção do alcatrão. ................................................................... 62
Tabela 15- Dados relativos às fontes de energia de origem fóssil. ...................................... 63
Tabela 16- Balanço de massa relativo à retenção de todo carbono fóssil emitido por suas
respectivas fontes. ................................................................................................................ 63
Tabela 17- Balanço de energia em relação à construção de pilhas de peletas torrificadas. . 64
Tabela 18- Balanço de energia em relação à produção de hidrogênio. ............................... 64
Tabela 19- Comparação entre pilhas de celulignina, pilhas de peletas torrificas e pilhas de
peletas convencionais. ......................................................................................................... 69
LISTA DE SIGLAS
b/a – Barris por ano
BP – British Petroleum
BRICS – Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul
btep – Bilhões de toneladas de equivalência em petróleo.
CAP – Cimento asfáltico de petróleo
CFCs – Clorofluorcarbono
CH4 - Metano
CO – Monóxido de carbono
CO2 – Dióxido de carbono
COP – Conferência das Partes
ECBM – Tecnologia de recuperação de metano em jazidas de carvão
EIA - U.S. Energy Information Administration
EUA – Estados Unidos da América
FAO – Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura
GEE – Gases do efeito estufa
H2 – Hidrogênio
H2-GBASC/UTE – Geração de hidrogênio por gaseificação de biomassa em água
supercrítica integrada a uma unidade termoelétrica.
IEA – Agência Internacional de Energia
IPCC - Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas
ITERF – Integração total das energias renováveis e fósseis.
ITERF – Integração total de energia renováveis e fósseis
MBSLT – Massa de biomassa limpa dos troncos
MDL – Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MPPT – Massa das pilhas de peletas torrificadas
MtCO2 - Milhões de toneladas de dióxido de carbono
mtep - Milhões de toneladas de equivalência em petróleo
N2O – Óxido nitroso
Non-OCDE – Países não membros da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento
Econômico.
OCDE - Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico
OMN – Organização Metereólogica Mundial
ONU – Organização das Nações Unidas
PCL – Pilhas de celulignina
PNUMA – Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente
PPC – Pilhas de peletas convencionais
ppm – Partes por milhão
PPT – Pilhas de peletas torrificadas
RB – Refinaria de Biomassa
RCE – Redução certificada de emissão
tC/ano – tonelada de carbono emitida por ano
tep - tonelada de equivalência em petróleo
UNFCCC – Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climática.
VPPT – Volume das pilhas de peletas torrificadas
SUMÁRIO
1 Introdução .................................................................................................................... 16
2 Revisão bibliográfica ................................................................................................... 19
2.1 O consumo de energia ........................................................................................... 19
2.2 Emissões de CO2 proveniente da queima de combustíveis. .................................. 22
2.3 Efeito Estufa .......................................................................................................... 25
2.4 Acordos e políticas internacionais ........................................................................ 28
2.4.1 Protocolo de Quioto ....................................................................................... 29
2.4.2 Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) ........................................... 30
2.5 Tecnologias de captura e armazenamento de CO2 ................................................ 31
2.6 Sequestro químico de CO2 .................................................................................... 33
2.7 Sequestro bioquímico de CO2 ............................................................................... 33
2.8 Uso da biomassa como energia ............................................................................. 34
2.9 Integração total das energias renováveis e fósseis (ITERF). ................................ 37
2.10 Tecnologia das pilhas de biomassa (peletas e particulados) torrificadas. ......... 40
2.10.1 Peletas convencionais ................................................................................... 40
2.10.2 Torrefação ...................................................................................................... 46
2.10.3 Peletas torrificadas ........................................................................................ 49
2.10.4 Tecnologia de pavimentação ............................................................................ 51
3 Materiais e Métodos ..................................................................................................... 53
3.1 Ensaio de compactação ......................................................................................... 53
3.1.1 Materiais empregados no ensaio .................................................................... 53
3.1.1 Metodologia ................................................................................................... 55
3.1.2 Determinação da composição da mistura ...................................................... 56
3.2 Balanço de massa e energia para retenção do carbono das emissões fósseis. ....... 57
4 Resultados .................................................................................................................... 60
4.1 Ensaio de compactação ......................................................................................... 60
4.2 Balanço de massa e energia para retenção do carbono das emissões fósseis. ....... 63
5 Conclusão ..................................................................................................................... 67
6 Referências ..................................................................................................................... 70
16
1 Introdução
A energia é um bem fundamental para o desenvolvimento econômico de um país. O
aumento da produção e do consumo, o uso crescente de recursos naturais, o crescimento da
população e o aumento do crescimento econômico são fatores favoráveis para o aumento da
demanda por energia. Atualmente as principais fontes energéticas provêm dos combustíveis
fósseis (carvão mineral, petróleo e gás natural), das hidrelétricas, da energia nuclear e das
fontes renováveis, sendo que as fósseis correspondem a mais de 80% do consumo, conforme
tabela 1.
Tabela 1- Consumo mundial de energia por combustível em 2013. Fonte BRITISH PETROLEUM, 2014.
Combustível Mtep
Petróleo 4.185,1
Carvão 3.826,7
Gás Natural 3.020,4
Hidrelétrica 855,8
Energia Nuclear 563,2
Renováveis 279,3
Total 12.730,5
O setor energético é responsabilizado por vários impactos ambientais, sendo os mais
discutidos as alterações climáticas e o aquecimento global. As alterações climáticas têm
ocorrido há milhares de anos no nosso planeta e continuarão a ocorrer. A questão é que, além
dessas alterações climáticas provenientes de causas naturais, pode-se aliar o fato de estas
estarem atualmente amplificadas devido a causas antropogênicas.
Os principais responsáveis por estas alterações no sistema climático são os gases
denominados gases do efeito estufa (GEE) como o dióxido de carbono (CO2), monóxido de
carbono (CO), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) e compostos orgânicos, sendo o dióxido
de carbono o principal causador do aumento deste efeito (IPCC, 2007).
As fontes de emissão de dióxido de carbono são, predominantemente, da queima de
combustíveis fósseis para geração de energia. Com o grande desenvolvimento observado em
países como a China e Índia prevê-se que a procura mundial de energia cresça em até 41%
até 2035. A tendência é de que os combustíveis fósseis continuem a ser a fonte primaria de
energia global nas próximas décadas. Desta forma, a previsão é que as emissões sigam
aumentando, chegando, em 2035, a um nível 45% maior do que o atual (EIA, 2013; BP
Outlook, 2013).
17
As concentrações atmosféricas de CO2 aumentaram quase 100ppm (partes por
milhão) em relação aos seus níveis pré-industriais, atingindo 401 ppm (partes por milhão)
em 2014, segundo a Agência Nacional Oceânica e Atmosférica dos EUA (NOOA).
De acordo com o IPCC é imprescindível diminuir as emissões de CO2 se se quiser
limitar a subida da temperatura de superfície global em 2°C, que foi estabelecido pelo
Protocolo de Quioto. Os governos e instituições como a ONU vêm incentivando programas
de implementação e desenvolvimento de tecnologias de captura e armazenamento de
carbono. Contudo estas tecnologias continuam a ser implementadas de uma forma aleatória
e lenta, possuindo poucos projetos operacionais em níveis comerciais.
Tendo em vista este cenário, o presente trabalho visa mostrar alternativas para estas
questões energéticas, através da integração das energias renováveis e fosseis (ITERF).
Segundo Pinatti (2012) o conceito de substituição das energias fósseis pelas renováveis está
acumulando uma série de frustações como insuficiência para atender à demanda e aumento
dos custos do alimentos, tornando necessário adotar o conceito de ITERF, objetivando um
sistema enérgico limpo e sustentável com a otimização do consumo nos setores residencial,
comercial e industrial.
Este trabalho avança no estudo de quantificar e detalhar a retenção de carbono em
pilhas de biomassa, na forma de peletas, torrificada (PPT) tendo em vista que o CO2 não é
um gás a ser simplesmente evitado ou sequestrado, mas um insumo a ser técnico-
economicamente explorado e retido na superfície terrestre, já que, fatalmente, será retirado
da crosta terrestre e não deve alcançar a troposfera, evitando o efeito estufa que apesar do
consenso geral sobre sua existência, ainda existem alguns questionamentos sobre a
contribuição do homem neste cenário (MOLION, 2005; BRAGA, 2005).
O projeto para formação das PPT terão tecnologia similar à de pavimentação de vias
públicas, no qual as peletas torrificadas e os finos representam os agregados, e o aglutinante,
a emulsão asfáltica. Os aglutinantes podem ser de origem vegetal, como o alcatrão, ou fóssil
desde que não deteriorem e sejam limpos para eventual uso da energia da PPT. Serão feitos
ensaios de compactação das PPT para encontrar a proporção ideal entre os materiais e atingir
a máxima densificação. Também serão feitos cálculos de balanço de massa e energia para a
retenção de todo carbono emitido pelas energias fósseis, partindo do consumo anual e tempo
de vida de suas reservas.
18
Esta quantificação objetiva formar uma base de dados técnico-econômicos para uma
futura elaboração do projeto de construção de uma pilha piloto de 1 ha de base.
19
2 Revisão bibliográfica
2.1 O consumo de energia
De acordo com os dados estatísticos da British Petroleum (BP), o consumo mundial
de energia primária teve um aumento de 91,1%, passando de 6,6 bilhões de toneladas em
equivalentes de petróleo (Btep) em 1980 para 12,7 Btep em 2013. A variação média no
crescimento do consumo energético mundial, neste mesmo período, foi de 1,91% a.a. Este
aumento pode ser explicado, em parte, pelo crescimento da população mundial que
aumentou em 52,24% de 1980 a 2009, com uma variação média anual de 2,02%, junto ao
crescimento econômico mundial, que foi em média 2,8% a.a. (BRITISH PETROLEUM,
2014).
As regiões que mais contribuíram para este aumento da demanda de energia foram o
Oriente-Médio e a Ásia-Pacífico que tiveram, respectivamente, variações médias anuais no
consumo energético total de 5,3% e 4,5% a.a., apresentando um aumento no consumo de
495% e 342% entres os anos de 1980 e 2013. O crescimento exponencial da região Ásia-
Pacífico pode ser explicada pelo crescimento populacional e também do econômico que é
de 10,4% a.a. da China nos últimos anos. A América do Norte teve uma variação de 32,2%
entre os anos de 1980 e 2013, impulsionado pelo crescimento do EUA. O menor crescimento
foi da região da Europa e Eurásia, tendo uma variação de 3,5% desde os anos 80. Já a
América do Sul e Central apresentaram um crescimento de 166%, onde o Brasil representou
cerca de 45% deste montante, como pode ser visto na figura 1.
Figura 1- Consumo de energia por região. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013
Consumo de energia por região (Mtep)
America do Norte America do Sul e Central Europa e Eurasia
Oriente Médio Africa Ásia Pacífico
20
Figura 2- Consumo de energia por fonte. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014.
Ao longo do tempo não foi apenas o consumo e a produção que mudaram, mas
também a composição da matriz energética mundial, como pode ser observado na figura 2.
Em 1980, o consumo das fontes energéticas de origem fósseis foi de 6 Btep,
representando 91% do total. Esta parcela não mudou muito ao longo dos anos, representando
86,6% no total em 2013. Dentre as fontes de origem fóssil, o maior crescimento foi a do
carvão, seguido do gás natural. As renováveis representaram cerca de 8,9% em 2013, sendo
a energia hidráulica a maior responsável por este montante.
De acordo com os cenários futuros de consumo de energia publicados pela British
Petroleum (BP Outlook, 2013), o consumo mundial deve chegar a 17,5 Btep em 2035, sendo
que mais de 85% do aumento desta demanda ocorrendo devido ao desenvolvimento de
nações não membros da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico (non-
OECD), impulsionado pelo forte crescimento econômico e populacional de países como
China e Índia. Em contraste, os países membros da OCDE apresentarão um crescimento
mais modesto devido ao menor crescimento e quase nenhum aumento populacional, como
pode ser observado na figura 3.
-
2000,0
4000,0
6000,0
8000,0
10000,0
12000,0
14000,0
1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013
Consumo de energia por fonte (Mtep)
Petróleo Gás Natural Carvão Nuclear Hidraúlica Outras Renováveis
21
Figura 3- Projeção do consumo de energia. Adaptado de BRITISH PETROLEUM, 2014.
Enquanto o consumo de energia vai crescer quase 40% até 2035, as parcelas das
diferentes fontes de energia continuará a não mudar significativamente. Consequentemente
mais combustíveis fósseis serão utilizados para atender à demanda de energia, aumentando
as emissões de CO2. Dentre as fontes de origem fóssil, a maior projeção de crescimento é a
do gás natural, resultado do aumento da oferta vindo do gás de xisto produzido nos Estados
Unidos, Canadá e outros países. A energia nuclear e as energias renováveis são as fontes
com maior projeção de crescimento, tendo uma taxa média anual de 2,5%, sustentadas pela
segurança energética, aumento do preço do petróleo e políticas governamentais.
A matriz energética brasileira é considera uma das mais limpas do mundo, em razão
da forte presença de fontes renováveis de energia, como a geração de eletricidade a partir de
fontes hidráulicas e utilização de biomassa como forma de energia. Esta comparação pode
ser vista na tabela 2.
Tabela 2- Comparação entre as composições da matriz energética brasileira, mundial e da OECD, Fonte BRITISH
PETROLEUM, 2014; BRASIL, 2014.
Fontes Brasil (%) Mundo (%) OECD (%)
Petróleo 39,3 32,8 37,2
Gás Natural 12,8 23,7 26,1
Carvão 5,6 30,0 19,2
Energia Nuclear 1,3 4,4 8,0
Hidráulica 12,5 6,7 5,7
Outras renováveis 28,6 2,1 3,5
No Brasil, em 2013, consumiu-se 260,2 Mtep em energia, representando 2,2% do
total de energia consumida no mundo todo. Ao longo dos anos, a matriz energética nacional
também sofreu transformações, em 1940, a lenha e o carvão vegetal representavam 83,34%
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1990 2000 2010 2020 2030
Consumo de energia primária (Mtep)
OECD Non-OECD
22
das fontes energéticas consumidas pela população enquanto que, em 2013, não chegou a
10%. Atualmente no Brasil, como no resto do mundo, a maior parcela da energia consumida
é de origem fóssil, representando 63,4%. O detalhe é que a energia renovável tem boa
representação também, de acordo com o Balanço Energético Nacional (BRASIL, 2014), é
de 41,1%.
O Brasil, segundo projeção da IEA (2013), poderá ser um dos grandes exportadores
de petróleo e um dos líderes mundiais na produção de energia devido principalmente a uma
série de recentes descobertas “offshore”. A produção de gás natural aumentará mais de cinco
vezes, permitindo cobrir todas as necessidades domésticas do país em 2030. Este acréscimo
na produção de combustíveis fósseis depende fortemente dos desenvolvimentos em águas
profundas. Apesar da maior disponibilidade e utilização dos combustíveis fósseis, o Brasil
continuará a ter uma das menores intensidades de carbono no mundo, praticamente
duplicando a produção de energia a partir de fontes renováveis em 2035, mantendo uma
quota de 43% na sua matriz energética. As hidrelétricas continuam a ser a espinha dorsal do
setor da energia, embora tenda a diminuir esta dependência devido aos impactos ambientais
caudados na fauna e na flora e ao seu esgotamento. A eólica tem o problema da intermitência
e as tecnologias atuais da solar são de alto custo
2.2 Emissões de CO2 proveniente da queima de combustíveis.
A queima de combustíveis fósseis como o petróleo, gás natural e carvão são os
grandes responsáveis por grande parte das emissões dos gases do efeito estufa. Assim, o
aumento no consumo de energia ao longo os anos, evidenciado acima, é um importante
componente no debate do aumento das emissões de dióxido de carbono.
De acordo com a EIA (2013) as emissões de CO2 relacionadas com o aumento do
consumo da energia aumentará de 31,2 bilhões de toneladas métricas em 2010 para
45,5 bilhões de toneladas métricas em 2040. Grande parte do crescimento das emissões é
devido aos non-OCDE que continuam a depender fortemente dos combustíveis fósseis para
atender ao crescimento acelerado da demanda de energia.
23
Figura 4- Emissões de dióxido de carbono provenientes da energia. Adaptado de EIA, 2013.
Emissões de dióxido de carbono provenientes do consumo de combustíveis líquidos
derivados do petróleo foram responsáveis por 43% das emissões totais de CO2 em 1990,
36% em 2010 e, segundo projeção da Agência Internacional de Energia (IEA, 2013), serão
de 32% em 2040. Emissões relacionadas ao uso do carvão foram responsáveis por 39% das
emissões totais em 1990, 44% em 2010 e, de acordo com a projeção, chegam a 45% em
2040. O carvão é o combustível fóssil com maior intensidade de carbono e tornou-se a
principal fonte de emissões de dióxido de carbono relacionados com a energia em 2004 e
continua a ser a fonte principal até 2040. As emissões relacionadas com o consumo de gás
natural sobe de 19% em 1990 para 22% em 2040, como pode ser visto na tabela 3.
Tabela 3- Projeção das emissões de dióxido de carbono. Fonte EIA, 2013.
Fontes de Emissões 1990 2010 2020 2030 2040
Petróleo e Derivados (MtCO2) 9.708 11.181 12.275 13.282 14.671
Carvão (MtCO2) 8.769 13.820 16.965 19.561 20.636
Gás Natural (MtCO2) 4.158 6.183 7.195 8.610 10.137
O Brasil emitiu 1,2 milhões de toneladas de CO2 (MtCO2) em 2010, segundo as
estimativas anuais de emissões de gases de efeito estufa no Brasil (BRASIL, 2013). Com a
particularidade de que o sistema energético do País tem um impacto relativamente pequeno
sobre as emissões de gases do efeito estufa. Diferentemente dos países industrializados, no
Brasil, as emissões líquidas estimadas de CO2 é dividida em três grandes setores,
agropecuária, energia e uso de terras e florestas. Em função da elevada participação de
energia renovável na matriz energética brasileira como geração de eletricidade a partir de
hidrelétricas, uso do álcool no transporte, uso de bagaço de cana-de-açúcar e do carvão
0
10000
20000
30000
40000
1990 2000 2010 2020 2030 2040
Projeção do aumento nas emissões de CO2
(MtCO2)
OECD non-OECD
24
vegetal na indústria. A parcela de emissões de CO2 em função do uso de combustíveis fósseis
no Brasil é relativamente pequena. Além disso, deve-se observar que o consumo energético
brasileiro é ainda modesto, quando comparado aos países industrializados (BRASIL, 2013).
Comparado com a Rússia, China e Índia, as emissões de dióxido de carbono
provenientes da queima de combustíveis no Brasil são pequenas, representando cerca de
1,3% das emissões. A matriz energética do Brasil é uma das mais limpas do mundo, com as
energias renováveis representando 41%.
Figura 5- O crescimento das emissões de GEE dos BRICS. IEA, 2013
O setor de energia engloba as emissões por queima de combustíveis fósseis e
emissões fugitivas. As emissões fugitivas incluem a queima de gás nas tochas de plataformas
e refinarias, e a combustão espontânea de carvão em depósitos e pilhas de rejeito. As
emissões de CO2 do setor de energia representaram, em 2010, 32% das emissões totais de
CO2 no Brasil, tendo aumentado 208% em relação às emissões de 1990. (BRASIL, 2013).
O setor de agropecuária foi responsável pela maior parcela das emissões de CO2
participando com 35% das emissões líquidas totais de CO2 em 2010. O setor agropecuário
engloba as emissões devido à fermentação entérica do gado, manejo de dejetos animais,
solos agrícolas, cultivo de arroz e queima de resíduos agrícolas (BRASIL, 2013).
25
Figura 6- Emissões de dióxido de carbono por setor. Fonte BRASIL, 2010.
2.3 Efeito Estufa
O efeito estufa é um fenômeno que ocorre quando uma parte da radiação
infravermelho emitida pela superfície terrestre é absorvida por determinados gases presentes
na atmosfera. Como consequência disso, o calor fica retido, não sendo liberado para o
espaço. Este fenômeno, dentro de uma determinada faixa, é de vital importância, pois sem
ele a vida não poderia existir; ele serve para manter o planeta aquecido, garantindo a
manutenção da vida.
O que pode ser catastrófico é o agravamento deste efeito, desestabilizando o
equilíbrio energético do planeta e originando um fenômeno conhecido como aquecimento
global. O IPCC no seu relatório mais recente diz que a maior parte deste aquecimento,
observado durante os últimos 50 anos, se deve muito provavelmente a um aumento dos gases
do efeito estufa.
O efeito estufa tornou-se um dos assuntos preferidos da comunidade técnica,
principalmente pelos efeitos catastróficos previstos para a ecosfera, caso não sejam tomadas
medidas urgentes para evitar sua intensificação. As previsões são as mais variadas, e muitas
delas são bastante questionáveis, pois persistem muitas polêmicas cientificas. Além disso,
muitos fenômenos não foram ainda totalmente compreendidos (BRAGA, 2005).
A emissão destes gases estufas (CO2, metano, óxido nitroso e clorofluorcarbono
CFCs) aumenta a quantidade de energia que é mantida na atmosfera em decorrência da
absorção do calor refletido ou emitido pela superfície do planeta, o que provoca a elevação
da temperatura da atmosfera. Admite-se que, além de provocar modificações climáticas, o
26
aquecimento da Terra pode causar a elevação do nível dos oceanos, ter impactos na
agricultura e na silvicultura, afetando todas as formas de vida do planeta (BRAGA, 2005).
Figura 7- Efeito estufa. Arte D.A Press
A figura 8 apresenta o aumento observado na concentração de CO2 e a variação na
temperatura da atmosfera, ou anomalia, em relação à média do período entre 1951 e 1980.
Figura 8- Variação na concentração de dióxido de carbono e anomalias. Fonte Braga, 2005.
De 1959 a 2003, a concentração de CO2 aumentou de 316 partes por milhão em
volume (ppmv) para 376 ppmv. Foi constatado que esse acréscimo de CO2 é superior no
hemisfério norte, por causa da maior queima de combustíveis fósseis nessa região.
27
Esses dados levam à conclusão de que quanto maior a temperatura, maior é a
concentração de CO2. Entretanto estes resultados ainda são duvidosos, por exemplo, como
explicar a diminuição da temperatura média global ocorrida entre 1959 e 1975. Alguns
cientistas acreditam que esses fenômenos estão associados a processos oscilatórios de grande
período, significando que os períodos analisados são extremamente curtos para conclusões
definitivas (BRAGA, 2005).
São quatro os principais gases de efeitos estufa, além de duas famílias de gases
regulados pelo Protocolo de Quioto (BRASIL, 2000):
a) Dióxido de carbono (CO2): É o mais abundante dos GEE, sendo emitido por meio
do uso de combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás natural), também com a
mudança no uso da terra. O CO2 é utilizado como referência para classificar o
poder de aquecimento global dos demais gases de efeito estufa.
b) Gás Metano (CH4): É produzido pela decomposição de matéria orgânica, sendo
encontrado geralmente em aterros sanitários, lixões, reservatórios de hidrelétricas
e também pela criação de gado. Tem o poder de aquecimento global 21 vezes
maior que o CO2.
c) Óxido Nitroso (N2O): Estas emissões resultam, entre outros, do tratamento de
dejetos de animais, do uso de fertilizantes e da queima de combustíveis fósseis.
Possui poder de aquecimento global 310 vezes maior que o CO2.
d) Hexafluoreto de enxofre (SF6): É utilizado principalmente como isolante térmico
e condutor de calor. Gás com o maior poder de aquecimento, é 23.900 vezes mais
ativo que o CO2.
e) Hidrofluorcarbonos (HFCs): Utilizados como substitutos dos clorofluorcarbonos
em aerossóis e refrigeradores. Tem potencial de aquecimento global variando
entre 140 e 11.700 vezes maior que o CO2.
f) Perfluorcarbonos (PFCs): Utilizados como gases refrigerantes, solventes,
propulsores e aerossóis. Tem potencial de aquecimento global variando de 6.500
a 9.200 vezes maior que o CO2.
Atualmente, segundo o 4° Relatório do IPCC, as temperaturas médias globais de
superfície são as maiores dos últimos cinco séculos. A temperatura média global aumentou
cerca de 0,74°C nos últimos cem anos, e caso não se atue neste aquecimento de forma
significativa, espera-se observar um clima bastante incomum, podendo apresentar, por
exemplo, um acréscimo médio da temperatura global de 2ºC a 5,8°C.
28
Diante deste cenário o controle do efeito estufa passa então, necessariamente, pelo
controle da emissão de CO2. A comunidade científica e os órgãos governamentais vem
desenvolvendo políticas e programas visando à redução da emissão destes gases causadores
do efeito estufa, conforme item 2.4.
2.4 Acordos e políticas internacionais
O aumento da evidência científica sobre a interferência humana no sistema climático
e a crescente preocupação pública com as questões ambientais fizeram com que a mudança
no clima fosse para a agenda política em meados da década de oitenta. A Organização
Meteorológica Mundial (OMN) e o Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente
(PNUMA), reconhecendo a necessidades de informações cientificas confiáveis e
atualizadas, estabeleceram o IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas)
em 1988.
Em 1990, o IPCC lançou o seu Primeiro Relatório de Avaliação, confirmando que a
mudança do clima era, de fato, uma ameaça e incitando à negociação de um acordo global
para tratar do problema. A Assembleia Geral das Nações Unidas então lançou formalmente
em 1990 as negociações relativas a uma convenção sobre mudança do clima estabelecendo
um Comitê Intergovernamental de Negociação (CIN) para conduzir essas negociações
(BRASIL, 2000).
O CIN, reuniu-se pela primeira vez em fevereiro de 1991, e em maio de 1992
adotaram a Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do clima (UNFCCC). A
convenção foi aberta a assinaturas no Rio de Janeiro, em 4 de junho de 1992, na Conferência
das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (UNCED), a chamada Cúpula
da Terra (BRASIL, 2000).
Para tornar-se parte, o país deve ratificar, aceitar e aprovar a convenção. As partes
reúnem-se regularmente na Conferência das Partes (COP) anual para rever a implementação
da convenção e dar continuidade às discussões sobre a mudança do clima.
A convenção estabelece como objetivo final:
29
[...] a estabilização das concentrações atmosféricas de gases do efeito estufa
em níveis seguros. Esses níveis devem ser alcançados num prazo que
permita aos ecossistemas adaptarem-se naturalmente à mudança do clima,
que assegura que a produção de alimentos não seja ameaçada e que permita
que o desenvolvimento econômico prossiga de forma sustentável.
(UFCCC, 2008a, p.6)
Para atingir esse objetivo, todos os países conveniados têm o compromisso comum
de tratar da mudança do clima, adaptando-se aos seus efeitos e relatando suas ações
realizadas para implementar a convenção. A convenção é dividida em dois grupos, os países
do Anexo I, chamados Partes do Anexo I, e os que não estão listados nesse anexo, chamado
Partes não-Anexo I.
As Partes do Anexo I são os países industrializados que mais contribuíram para a
mudança climática, ou seja, que possuem emissões per capita mais elevadas e contam com
maior capacidade financeira e institucional para tratar o problema.
Os países em desenvolvimento basicamente formam o grupo das Partes não-Anexo.
Esses países devem relatar em termos mais gerais as suas ações para tratar da mudança do
clima e adaptar-se aos seus efeitos. Os prazos para estas partes são menos rígidos do que
para as Partes do Anexo I
2.4.1 Protocolo de Quioto
Criado durante a COP 3, o Protocolo de Quioto é um anexo à Convenção-Quadro das
Nações Unidas sobre Mudanças do Clima. Neste as Partes do Anexo I comprometem-se com
metas individuais e com a redução de suas emissões de gases de efeito estufa de pelo menos
5% em relação aos níveis de 1990 no período de 2008-2012 (BRASIL, 2000).
O protocolo também estabeleceu três mecanismos inovadores criados para auxiliar
as Partes do Anexo I a reduzir os custos de cumprimento das suas metas de reduções de
emissões (BRASIL, 2009). Estes mecanismos são:
a) Implementação conjunta, trata-se da cooperação das Partes do Anexo I através
de projetos para redução de emissões de GEE. Implica em constituição e
transferência de créditos de emissões do pais em que o projeto está sendo
implementado para o país emissor.
30
b) Comércio de Emissões, permite-se negociação de cotas de emissão das Partes do
Anexo 1. Países com emissões maiores podem adquirir créditos para cobrir seus
excedentes.
c) Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, permite-se que os países do Anexo I
financiem projetos de redução ou comprem reduções de emissões resultantes de
projetos desenvolvidos nas Partes não-Anexos I.
No entanto só entraria em vigor após a data em que pelo menos 55 Partes da
Convenção, envolvendo as Partes incluídas no Anexo I, ratificassem o documento. Assim o
protocolo só entrou em vigor no ano de 2005, quando houve a ratificação da Rússia
(BRASIL, 2000).
2.4.2 Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL)
MDL teve origem na proposta brasileira, Fundo de Desenvolvimento Limpo. Este
mecanismo consiste em projetos implantados em países em desenvolvimento que gerem um
benefício ambiental na forma de um ativo financeiro, denominado Reduções Certificadas de
Emissões. Tais projetos devem implicar reduções de emissões ou remoção de CO2 adicionais
aquelas que ocorreriam na ausência do projeto, garantindo benefícios reais, mensuráveis e
de longo prazo para a mitigação da mudança global do clima (BRASIL, 2009).
Os projetos devem envolver substituição de energia de origem fóssil por outras de
origem renovável, racionalização do uso da energia, atividades de florestamento e
reflorestamento, tratamentos de resíduos, entre outras possibilidades.
A redução de emissões de GEE e/ou o aumento de remoções de CO2 decorrentes da
atividade de projeto são medidas em toneladas de dióxido de carbono equivalente – t CO2e.
Cada tonelada de CO2e reduzida ou removida da atmosfera, devidamente verificada,
corresponde a uma unidade emitida pelo Conselho executivo do MDL, denominada de
Redução Certificada de Emissão (RCE) (BRASIL, 2009).
As RCEs podem ser utilizadas pelas Partes do Anexo I que tenham ratificado o
Protocolo de Quioto como parte do cumprimento de suas obrigações quantificadas de
redução ou limitação de emissões de GEE. Assim, o MDL permite que uma Parte com metas
no âmbito do Protocolo cumpra suas metas a um custo baixo e ao mesmo tempo invista em
Partes não-Anexo I, contribuindo para um desenvolvimento sustentável (BRASIL, 2009).
31
2.5 Tecnologias de captura e armazenamento de CO2
De acordo com Medeiros (2008) são duas as principais rotas de processo para a
captura de CO2: a captura pós-combustão, no qual o CO2 deve ser separado do oxigênio e
do nitrogênio e a captura pré-combustão, que requer a separação entre H2 e CO2. Há ainda
uma terceira opção de combustão, chamada Oxyfuel, na qual o oxigênio puro é adicionado
ao combustível em proporção estequiométrica, resultando em um gás de combustão
composto por CO2 e H2O, neste caso o CO2 não precisa ser capturado, mas apenas separado
da água.
Segundo Mofarahi (2008) as tecnologias que podem ser empregadas para a captura
de CO2 são adsorção, separação criogênica, separação por membranas, absorção física e
absorção química.
A adsorção baseia-se na atração entre componentes do gás e sítios ativos no
adsorvente sólido. As tecnologias “pressure swing adsorption” (PSA), “temperature swing
adsorption” (TSA) e “vacum swing adsorption” (VSA) podem ser utilizadas na produção
industrial de hidrogênio e oxigênio, e também para separação do CO2 do gás natural. A
separação criogênica se dá pela liquefação do CO2 a temperatura baixa e pressão elevada,
por vezes seguida de destilação. Essa tecnologia é mais empregada para a purificação de
correntes de alto teor de CO2. A absorção física é aplicável a gases com alta pressão parcial
de CO2 e requer que o gás esteja sob alta pressão (MONTEIRO, 2009).
O processo mais empregado para separar CO2 de gases de combustão é absorção
química, no qual o CO2 reage com um solvente líquido, sendo portanto mais facilmente
carreado pelo mesmo. A absorção química beneficia-se da acidez de CO2, que é levado a
reagir reversivelmente com espécies diluentes básicas, dentre as quais destacam-se as
soluções aquosas de etanolaminas (MONTEIRO, 2009).
O processo de separação por membranas é utilizado para remoção de CO2 do gás
natural, sob alta pressão e em casos de alta concentração deste gás. Em gases de combustão,
a baixa pressão parcial de CO2 acarreta uma força motriz insuficiente para este tipo de
operação. Este processo baseia-se nas diferenças físicas e químicas entre as moléculas que
compõem o gás a ser tratado. Devido a essas diferenças, algumas moléculas permeiam as
membranas mais rapidamente do que outras. Assim, pode-se entender as membranas como
barreiras seletivas entre duas fases (MONTEIRO, 2009).
32
Após o processo de captura, o CO2 deve ser transportado até uma planta de
destinação, seja para injeção ou reúso. O transporte de CO2 é feito sob alta pressão, estado
supercrítico, por carbodutos. A pressão no ponto inicial do carboduto deve ser alta o
suficiente para que, mesmo com as perdas de pressão ao longo da linha de transmissão, o
fluido atinja o final ainda em estado supercrítico (ASPELUND, 2007).
A injeção de CO2 pode ter diferentes finalidades. Na quase totalidade dos casos, em
operação o CO2 é injetado em poços para aumentar a produção de petróleo (EOR),
facilitando o escoamento. Outra possibilidade é a injeção de CO2 apenas para promover o
armazenamento deste gás, mitigando as emissões. Há ainda casos em que o CO2 é injetado
em jazidas de carvão para deslocar e recuperar metano (ECBM) (MONTEIRO, 2009).
As formações geológicas apropriadas para o armazenamento de CO2 são conhecidas
por sumidouros geológicos de carbono. A capacidade mundial de armazenamento de
diferentes formações é avaliada em aquíferos salinos, de 103 a 104 Gt, poços exauridos e
operações de EOR, 103 Gt e operações ECBM, 10 a 102 Gt (MCCOY, 2008). No Brasil, a
capacidade de armazenamento em aquíferos salinos é de 2000 Gt, em jazidas de carvão,
200 Mt e em campos de produção de petróleo e gás, de pouco menos de 2500 Mt CO2
(KETZER et al., 2007).
Aproximadamente 2800 toneladas diárias se CO2 são capturados, via absorção por
aminas, do gás natural produzido no campo de Sleipner, operado pela Statoil, na Noruega, e
injetados no aquífero salino de Utsira, a 1000 metros de profundidade, de modo a evitar a
emissão daquele gás na atmosfera. O custo desta injeção é muito alto, mas se justifica devido
à multa relacionada à taxa sobre emissão de gases de efeito estufa vigente na Noruega
(MONTEIRO, 2009).
A opção de injeção em campos de produção de petróleo em vias de esgotamento,
além da função de sequestro de carbono, também tem a função de aumentar a produção de
petróleo. A vantagem é que o CO2 aumenta a fluidez do óleo. Como exemplo, pode-se citar
o projeto Weyburn localizado na fronteira entre o Canadá e os Estados Unidos, em
funcionamento desde 2000. Neste projeto o CO2 é capturado em uma planta de gaseificação
de carvão em Beulah (EUA) e transportado por carboduto até o poço de produção em
Weyburn (Canadá) onde é injetado (ZHOU, 2004).
33
2.6 Sequestro químico de CO2
Uma alternativa ao sequestro geológico de CO2 é seu emprego como matéria-prima
ou co-alimentação para síntese de produtos químicos. O CO2 é uma molécula
termodinamicamente estável em que o carbono se encontra em seu estágio máximo de
oxidação. Assim, as rotas de síntese são normalmente endotérmicas, requerendo fontes de
hidrogênio (MONTEIRO, 2009). Na tabela 4 são mostradas as principais aplicações
industriais do CO2.
Tabela 4- Principais aplicações industriais de CO2. Fonte Xavier, 2007.
Produto Químico Mercado (Mt/ano) t CO2/t produto Fonte de CO2
Uréia 90 65 Industrial
Metanol 24 8 Industrial
Carbonatos Inorgânicos 8 3 Industrial, Natural
Carbonatos Orgânicos 2,6 0,2 Industrial, Natural
Poliuretanos 10 10 Industrial, Natural
A síntese de metanol via hidrogenação do CO2 destaca-se como uma das mais
atrativas aplicações. O metanol pode ser empregado como aditivo para combustíveis ou
como precursor de produtos químicos como metil-metacrilato (MMA), dimetil-tercbutil éter
(MTBE), dimetil carbonato (DMC), dimetil-éter (DME) e olefinas (MONTEIRO, 2009).
Uma questão a ser avaliada nestes processos de sequestro químico é o tempo que o
CO2 permanecerá sequestrado, pois enquanto o gás empregado na síntese da uréia ou
metanol volta para atmosfera em cerca de seis meses, o CO2 empregado na síntese de
carbonatos e poliuretanos podem permanecer séculos sequestrados. Outra questão é que os
processos de utilização de CO2 como matéria-prima demandam energia, também emitindo
CO2 (XAVIER, 2007).
2.7 Sequestro bioquímico de CO2
O sequestro bioquímico é a tecnologia de produção de biomassa através da fixação
de CO2 por organismos fotossintetizantes. A biomassa produzida é processada
bioquimicamente ou termoquimicamente para a geração de energia ou produtos químicos.
A conversão bioquímica, que emprega enzimas e microrganismos, inclui a digestão
anaeróbica e a fermentação. A conversão termoquímica engloba a gaseificação, a pirólise, o
refino hidrotérmico e a combustão.
34
Wang et al. (2008) estimam que o potencial de CO2 na agricultura, através do cultivo
de vegetais superiores, corresponde de 3 a 6% das emissões fósseis. Borges (2007) indica
que o potencial de sequestro de carbono por reflorestamento é de 3 a 4 tC/ha/a, enquanto o
potencial de biofixação por microalgas pode atingir 36,5 tC/ha/a, conforme tabela 5.
Tabela 5- Potenciais no sequestro de carbono. Fonte Borges, 2007.
Sequestro de CO2 (tC/ha/a)
Oceanos 1 - 4
Lagoas 5 - 8
Reflorestamentos 3 - 4
Microalgas 11 – 36,5
A gaseificação consiste na combustão incompleta da biomassa, na presença de um
oxidante, levando majoritariamente a CO e H2 (gás de síntese). Durante a gaseificação
ocorrem inúmeras reações como as de pirólise, combustão, craqueamento térmico, oxidação
parcial e as reações de gaseificação propriamente ditas. O processo se inicia com a pirólise
da biomassa, a temperatura em torno de 500°C. Da pirólise resultam gases como H2, CO,
CO2 e CH4, alcatrão (compostos aromáticos, alifáticos e polares) e carvão vegetal. Os
produtos da pirólise são então oxidados pelo oxigênio em reações que elevam a temperatura
do meio para cerca de 1000°C. Em temperaturas elevadas, o alcatrão sofre craqueamento
térmico e o carvão vegetal sofre combustão, ambos dando origem a gases, chamados de gás
de síntese. A maior parte das tecnologias de gaseificação é desenvolvida para gerar energia
ou combustíveis secundários (MONTEIRO, 2009).
2.8 Uso da biomassa como energia
A biomassa é uma das principais fontes de energia utilizadas no Brasil. A biomassa
da cana, da lenha e o carvão vegetal representaram 24,5% na oferta de energia interna
brasileira no ano de 2013, sendo a biomassa lenhosa responsável por quase metade desta
oferta, segundo o Balanço Energético Nacional (BRASIL, 2014). Isto deve-se
principalmente as vantagens que o País tem no crescimento de biomassa, como a
incorporação de áreas destinadas à agricultura de energia sem competição com a agricultura
de alimentos, por situar-se, predominantemente, na faixa tropical do planeta recebendo
intensa radiação solar ao longo do ano e por possuir quase 25% da reserva de água doce do
planeta.
35
Das biomassas lenhosas, o eucalipto e o pinus têm sido apontados como as melhores
opções para a produção de energia devido a seus altos índices de produtividade e
características energéticas, como densidade e poder calorifico, sendo o gênero Eucalyptus o
mais utilizado no Brasil para a implantação de florestas com fins energéticos (CORTEZ et
al., 2008).
O Brasil tem 5,2 milhões de quilômetros quadrados de florestas nativa, o que
representa 61% de sua área e, segundo a Organização das Nações Unidas para Alimentação
e Agricultura (FAO), 29 mil km² de seu território são reflorestados com eucalipto, o que
coloca o País em segundo lugar, atrás apenas da Índia. O Brasil é o maior produtor de
madeira proveniente de bosques cultivados (sobretudo eucalipto), com mais de
2,9 milhões de ha e uma área plantada de pinus de 1,8 milhões de ha. Estima-se que
1 milhão de ha estão destinados à produção de lenha e carvão vegetal. A maior parte destas
florestas estão situadas na região sudeste e no estado da Bahia, onde os cinco principais
agentes reflorestadores são a indústria de celulose e papel, indústria siderúrgica, indústria de
produtos sólidos da madeira e institutos florestais (CORTEZ et al., 2008).
As florestas dedicadas à produção de energia são chamadas de florestas energéticas.
Este conceito foi introduzido na década de 80 para definir florestas de curta rotação (3 a 5
anos), ou seja, de crescimento rápido, apresentando maior número de plantas por hectare
visando a plantações com grande produção de massa seca em menor área útil (COUTO et
al., 2014).
Estudos mostram que os maiores valores de massa seca por hectare foram obtidos
nos tratamentos com menor área entre plantas. Entretanto, ao aumentar o número de plantas
por hectare, consequentemente aumenta-se a concentração de adubo, aumentando os custos
com o plantio. Segundo Couto (2014) os espaçamentos 3x0,5m em dois anos proporcionam
até 55 toneladas de massa seca por hectares; espaçamentos de 3x1,0m em três anos
proporcionaram até 48 toneladas e espaçamentos de 3x1,5m em quatro anos proporcionaram
45 toneladas, dos quais apresentam custos favoráveis se conduzidos dois ciclos de rebrota
após o primeiro corte.
Outra fonte de aproveitamento de biomassa para energia são os resíduos florestais.
Os resíduos florestais são constituídos por todo aquele material que é deixado para trás na
coleta da madeira, tanto em florestas e bosques naturais como em reflorestamentos, como as
36
folhas, galhos e casca, e pela serragem e aparas produzidas no processamento da madeira
(CORTEZ et al., 2008).
Não é fácil a obtenção de dados precisos sobre os resíduos florestais no Brasil já que
o volume e os tipos de pedaços/fragmentos gerados são dependentes de vários fatores, dos
quais se destacam o diâmetro das toras e o uso final das peças serradas. De modo geral, os
resíduos gerados em uma cadeia produtiva de serrados constituem-se de 7% de casca, 10%
de serragem e 28% de pedaços, isso sem considerar as perdas na extração da madeira. Só
com o setor de primeira transformação dos bosques tropicais na região Amazônica, estima-
se que quase 50 milhões de m³ de troncos são transformados em cerca de
20 milhões de toneladas de madeira serrada (CORTEZ et al., 2008).
Os serrados são o principal destino da madeira. Então um mínimo de 18 milhões de
toneladas de resíduos de madeira ficariam nas serrarias. Se essa quantidade for somada aos
resíduos de madeira provenientes do processamento industrial e da exploração florestal
sustentável, a quantidade de resíduos pode chegar a 50 milhões de toneladas/ano (CORTEZ
et al., 2008).
A facilidade de obtenção da madeira aliada à possibilidade de produzir carvão vegetal
com tecnologia rudimentar caracterizou a biomassa florestal como uma fonte de uso tanto
comercial quanto doméstica, potencializando a sua produção e utilização. Ao longo dos
últimos 10 anos, cerca de um terço da madeira para energia no País foi destinada a uso
doméstico e agropecuário; a outra parte destina-se a usos industriais nos setores de
alimentação e bebidas, celulose e papel, ferro-gusa, ferro-ligas e cerâmicas (BRASIL, 2013).
Dentre esses setores, a indústria da celulose utiliza seus próprios resíduos de processo
provenientes da madeira de florestas plantadas de eucalipto para produzir vapor e
eletricidade. Os setores de alimentos, cerâmicas e gesseiras usam a biomassa in natura,
diretamente para produção de calor. O setor que mais utiliza biomassa como fonte de calor
é a siderúrgica, empregando o carvão vegetal como termorredutor no processo industrial. O
segundo maior consumidor de madeira para energia é o industrial, que se subdivide em três
segmentos; cerâmicas, bebidas e alimentos e celulose, sendo responsáveis, respectivamente
por 34%, 29%, 21% do consumo total.
37
Tabela 6- Consumo de madeira para fins energéticos, Brasil. Fonte BRASIL 2014.
Consumo 103 t
Produção de carvão vegetal 26.010
Industrial 24.857
Residencial 18.521
Rural 8.513
Outros 1.389
Total 79.290
Para que esse crescimento, no uso da biomassa como energia, continue em expansão
no Brasil, é preciso que, além do avanço tecnológico, sejam desenvolvidos modelos de
gestão que garantam a sustentabilidade técnica, econômica e ambiental como é apresentado
na integração das energias renováveis e fósseis.
2.9 Integração total das energias renováveis e fósseis (ITERF).
A melhor maneira de representar o conceito da ITERF é na forma de uma estrutura
octogonal dividida em três anéis, conforme figura 10. Fontes energéticas posicionadas no
anel externo, vetores e produtos no anel intermediário e o consumo otimizado no anel central,
conforme figura 9.
Figura 9- Estrutura ITERF. Fonte Pinatti, 2013
As fontes energéticas, localizadas no anel exterior, são representadas pelas energias
de origem fóssil, renovável e nuclear. As fósseis como petróleo, gás natural e carvão mineral
são posicionadas no lado esquerdo, já as renováveis como biomassa, solar, eólica e
38
hidráulica são posicionadas do lado direito. A energia nuclear é colocada no lado inferior,
pois atualmente é problemática, contudo pode apresentar evoluções com o avanço em
tecnologias de água supercrítica. No lado superior, é colocada a floresta energética que
integra todos estes tipos de energia através da geração de hidrogênio por gaseificação de
biomassa integrada a uma unidade termoelétrica (H2-GBASC/UTE).
Os vetores energéticos podem ser sólidos (carvão mineral, cavacos/peletas de
biomassa), líquidos (petróleo/derivados, etanol, óleos e gás natural liquefeito), gasosos (gás
natural), energia elétrica e H2-GBASC. Este último, usa a biomassa limpa dos troncos
vetorizada na forma de cavacos ou peletas (exportação) para transporte e no ponto final de
consumo é transformada em H2, solucionando os problemas de logística.
As principais características da ITERF são:
a) Geração de Hidrogênio por Gaseificação de Biomassa em Água Supercrítica
integrada com uma unidade termoelétrica (H2-GBASC/UTE)
b) Uso do H2 em grandes mercados, tais como hidrotratamento e
hidrocraqueamento na refinaria de petróleo, conversão de óleos vegetais em
biodiesel pelo processo H-Bio, produção de metanol e dimetil-eter (substituto
do diesel) a partir do carvão mineral ou biomassa, produção de amônia e no
futuro utilização em célula a combustível
c) Geração de CO2 limpo para crescimento de microalgas (óleo vegetal e
proteína)
d) Retenção dos GEE em pilhas de celulignina (PCL) que, neste trabalho, serão
substituídas por biomassa torrificada (peletas e particulados) compactada,
geradas a partir dos resíduos florestais.
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Figura 10- Geração de biomassa para produção de H2 e retenção de carbono em pilhas de celulignina. Fonte Pinatti,
2012.
A figura 10 mostra uma estimativa de área a ser reflorestada para atender à integração
da proposta. Mostra também a energia gerada pelo H2 produzida por GBASC comparada
com a energia total das fontes fósseis e estima o volume de PCL necessárias para reter as
emissões de carbono fóssil geradas pelo consumo da totalidade de suas reservas.
De acordo com os cálculos da figura 10, uma área de 1,3 bilhões de ha de florestas
seria a necessária para o fornecimento de resíduos florestais para produção das pilhas de
celulignina (obtida através do tratamento de pré-hidrólise da biomassa), e geraria biomassa
limpa do tronco para utilização em aplicações nobres como na indústria de celulose, na
indústria madeireira e na produção de H2. O volume total ocupado pelas PCL é igual à soma
dos produtos entre o tempo de vida de cada reserva fóssil pelo seu respectivo volume de PCL
requerido que é equivalente a aproximadamente 30.000 pilhas de 1 km² x 50 m de altura. A
área ocupada por estas florestas representam 17% das terras não agrárias mundiais. A PCL
possui como características a não degradação biológica, é autoportante até centenas de
metros exigindo impermeabilização inferior, superior e lateral. O topo e as laterais inclinadas
podem ser usadas para instalação de fazenda solar (coletor parabólico térmico solar para
aquecimento de ar ou água) e podem ser consideradas uma reserva de energia atuando como
segurança energética (PINATTI, 2013).
40
O principal problema das tecnologias atuais para geração de energia a partir de fontes
renováveis é a unidirecionalidade, ou seja, cada biomassa gera apenas um produto principal
que tem que pagar todos os custos (matéria-prima, investimento, insumos e mão-de-obra) ao
contrário do que é demonstrado na ITERF, onde há a biomassa é utilizada integralmente
juntamente com os combustíveis fósseis.
2.10 Tecnologia das pilhas de biomassa (peletas e particulados) torrificadas.
2.10.1 Peletas convencionais
As peletas são fontes de energia renovável, limpa e eficiente, resultando em um
combustível sólido a partir de biomassa florestal e de resíduos gerados no processamento da
madeira, permitindo uma combustão com pouca fumaça, liberando menos monóxido de
carbono do que qualquer outro combustível fóssil (RASGA, 2013).
As peletas são granulados cilíndricos densos, da ordem de 6 a 8 mm de diâmetro e
de 10 a 40 mm de comprimento, produzidos a partir de resíduos lenhosos e de desperdícios
da indústria madeireira. Consideradas uma fonte de energia renovável pertencentes à classe
de biomassas, são produzidas com baixo teor de umidade (menor que 10%), permitindo
elevada eficiência na combustão (GARCIA, 2010).
Outra definição encontrada declara que as peletas de madeira são combustíveis
orgânicos de forma cilíndrica, produzidos através de biomassa adensada, proveniente de
serragem e de resíduos, com um poder colorífico superior a 17MJ/kg. As peletas de madeira
tem teor de cinzas abaixo de 0,5% e umidade inferior a 10%, permitindo uma combustão
eficiente de alto valor energético e limpa (PINEWELLS, 2014).
Figura 11 - Peletas convencionais.
41
As peletas podem ser produzidas por densificação, compactação ou aglomeração da
biomassa florestal, proporcionando uma série de vantagens quando em comparação com a
utilização da biomassa no estado natural, principalmente no que se refere ao armazenamento,
manuseio, facilidade de transporte, uniformização do material, aumento da densidade e
também do poder calorifico.
A utilização destes é favorável ao meio ambiente, pois é neutro em carbono, todo
CO2 emitido na sua queima é recuperado no crescimento da árvore, existindo a compensação.
Emissões tais como NOx, SOx e compostos orgânicos voláteis provenientes do uso de peletas
são menores em comparação com as outras formas de aquecimento e energia, também é
reduzida a emissão de CO2 durante a queima das peletas (GARCIA et al., 2010).
As aplicações para os pellets de madeiras são os mais variados, como fornos de
padarias, fornos cerâmicos, aquecimento de estufas, secagem de grãos, aquecimento de água,
termoelétricas, entre outros.
Basicamente, o processo de produção em uma indústria de peletas envolve as etapas
mostradas na figura 12 (OLIVEIRA, 2012):
Figura 12- Etapas para a produção de peletas.
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1. Preparação da matéria-prima: A matéria prima a ser utilizada no processo é madeira
de origem do processo de limpeza florestal (biomassa lenhosa e residual), resíduos
do processo industrial (madeira serrada, compensados e MDF) ou de floresta de
cunho energético.
2. Picagem de matéria-prima: A picagem industrial da madeira tem por função a
produção de um produto final padronizado. Existem duas tipologias de
processamento, a picagem com equipamento por facas e por martelos.
3. Moagem e trituração: A matéria-prima conforme seu estado de trituração, deve
passar posteriormente para uma fase de moagem, que consiste na diminuição do
tamanho e homogeneização na uniformização da matéria-prima. Esta tarefa pode ser
realizada por um moinho martelo triturador. As partículas resultantes devem
apresentar uma granulometria aproximada de 1 mm para poderem ser processadas.
4. Secagem industrial: O índice máximo de umidade permitido na entrada do moinho
da peletizadora é estimado ao redor de 12-13%. O secador necessita de um gerador
para produzir ar quente, ou seja, calor para realizar o processo de secagem, no qual
podemos usar as próprios peletas para este fim. O sistema de secagem mais usado é
o secador de tambor rotatório.
5. Classificação/Refinação: Para iniciar o processo de peletização, o produto secado
submete-se então à remoção do pó, classificação e refinação de modo que a partícula
seja reduzida ao tamanho máximo de 2mm.
6. Sistema de peletização: Uma vez na peletizadora, o material triturado e moído é
acondicionado mediante o uso de vapor, que contribui para a umidificação
superficial, atuando como lubrificante no processo, contribuindo para que o
aglutinante natural das fibras de madeira, a lignina, atue com maior facilidade. As
partículas então são extrudadas através de uma matriz com furos por onde o material
preparado passa e é cortado nos comprimentos desejados. A peletização emprega
uma matriz giratória, onde pressão interna dos cilindros força a passagem da madeira
através destes orifícios.
43
Figura 13- Peletizadora. Fonte Oliveira, 2012.
7. Resfriamento: A linha de produção conclui-se com o resfriamento. O resfriamento é
uma etapa muito importante, pois contribui para que a lignina da madeira alcance a
seu maior potencial aglutinante. O sistema de resfriamento consiste numa câmara
vertical, de onde os pellets caem em fluxo de contracorrentes.
8. Sistema de embalagem e armazenagem das peletas: As peletas, após serem resfriadas
e limpas, passam por um sistema de pesagem e são acomodadas em sacos específicos
personalizados.
As caraterísticas químicas e físicas são critérios básicos para se avaliar a qualidade dos
combustíveis. O primeiro grupo inclui critérios como a concentração de certos elementos
(N, S, CL, As, Cd, Pb, Cu, Hg, Ni, Zn, entre outros), o teor de cinzas, de umidade e o poder
calorífico. As características físicas descrevem os parâmetros visuais e o tipo de
processamento da biomassa (RASGA et al., 2013).
Não existe uma legislação específica no Brasil sobre a produção e comercialização de
peletas de madeira, mas a Agência Nacional do Petróleo (ANP) foi designada para
normatizar e fiscalizar o mercado de biomassas de uma forma geral.
Revisando o histórico da normatização nos países onde o mercado de peletas de madeira
já está consolidado, observam-se as normas alemãs (DIN 51731), austríaca (ONORM 7135),
sueca (SS 18 71 20), italiana (CTI – R 04/5) e estadunidense (Pellets Fuel Institute). Em
2011, o Comitê Europeu de Normatização (CEN) elaborou uma norma-padrão europeia para
combustíveis à base de biomassa, abrangendo o teor das cinzas, a durabilidade e a resistência
mecânica das peletas de madeira, além de padronizar os métodos mais adequados para os
testes a serem aplicados neste tipo de combustível. Esta norma (EN14961) contém seis
44
partes. A primeira, EN14961-1, apresenta de forma geral o sistema de classificação para
biomassas sólidas e os procedimentos para comercialização. A EN14961-2 é específica para
peletas de madeira sem destino industrial. A EN14961-3 aborda briquetes de madeira, a
EN14961-4 para cavaco de madeira, a EN14961-5 para a lenha e por último a EN14961-6
refere-se as peletas de biomassa de origem não florestal (RASGA et al., 2013).
A EN14961-2 divide as peletas em três classes, a premium, ENplus-A1, a classe
intermediaria, ENplus-A2 e a classe menos restritiva, EN-B, como mostrado na Tabela 7.
Uma questão a ser destacada desta norma europeia são os valores máximos
permitidos de cloro, menor que 0,02%, o qual as peletas produzidas no Brasil não atende.
No Brasil, as peletas produzidas a partir do eucalipto e do pinus têm em média 0,1% de teor
de cloro. Isto se deve porque a chuva e a neve europeia originam-se da evaporação da região
do Ártico, onde o clima é frio e tem baixa evaporação de compostos de cloro; também a
sublimação do gelo rejeita o sal (composto contendo cloro) na sua solidificação. Já as chuvas
no Brasil originam-se da evaporação tropical do Atlântico e Pacífico, onde o clima é quente
e há alta evaporação de compostos de cloro (maresia). Desta forma o cloro se acumulou ao
longo dos anos nos solos tropicais.
No Brasil, o processo de peletização surgiu depois de 2001, enquanto na Europa já
existe desde a crise do petróleo, final da década de 70. A sua utilização no mercado interno
se restringe a pequenas indústrias e pontos comerciais.
De acordo com a Associação Brasileira das Indústrias de Pellets (ABIPEL), o país
tem hoje 16 plantas industrias de peletas, mas muitas delas produzindo abaixo da sua
capacidade e outras em fase de construção. Estas empresas juntas são capazes de produzir
mais de 300.000 t/ano, mas sua produção atual atinge menos de 20% dessa capacidade.
Questões tecnológicas como baixa eficiência dos equipamentos utilizados e o alto custo da
produção, potencializado pelo alto custo da matéria-prima e dos transportes, ainda limita a
popularização das peletas no mercado interno. A maior parte das indústrias brasileiras deste
combustível renovável está localizada na região centro-sul do País, onde há grandes áreas
de reflorestamento e fartura de resíduos que podem ser aproveitados no processo de
compactação.
As exportações da indústria brasileira de peletas, até o momento são insignificantes
por três motivos: preço pouco competitivo, custos logísticos e normas europeias rígidas.
Entretanto, o Brasil tem grande potencial para ser um exportador mundial de peletas devido
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as grandes áreas disponíveis para reflorestamentos e produção acelerada de biomassa devido
à intensa radiação solar recebida o ano todo.
Tabela 7- Norma EN14961. Fonte Rasga, 2013.
EN 14961-2 (Peletas para uso não industrial)
Especificação ENplus - A1 ENplus - A2 EN - B
Origem 1.1.3 (Stemwood) e 1.2.1
(Chemically untreated wood
residues)
1.1.1 (Whole trees without roots), 1.1.3 (Stemwood), 1.1.4 (Logging residues),
1.1.6 (Bark) e 1.2.1 (Chemically untreated
wood residues)
1.1 (Forest, plantation and other
virgin wood ), 1.2 (By-products and residues from wood processing
industry) e 1.3 (Used wood )
Dimensões (D, L)
D06, D08 (± 1 mm) D06, D08 (± 1 mm) D06, D08 (± 1 mm)
3,15 mm ≤ L ≤ 40 mm 3,15 mm ≤ L ≤ 40 mm 3,15 mm ≤ L ≤ 40 mm
Máx. 45 mm (1 w-%) Máx. 45 mm (1 w-%) Máx. 45 mm (1 w- % )
Densidade a granel (BD) 3 BD ≥ 600 kg/m
3 BD ≥ 600 kg/m
3 BD ≥ 600 kg/m
Durabilidade mecânica (DU) DU ≥ 97,5 w-% DU ≥ 97,5 w-% DU ≥ 96,5 w-%
Teor de umidade (M) - base úmida M ≤ 10 w-% M ≤ 10 w-% M ≤ 10 w-%
Teor de cinzas (A) - base seca A ≤ 0,7 w-% A ≤ 1,5 w-% A ≤ 3,0 w-%
Poder Calorífico Inferior (Q) - na entrega 16,5 ≤ Q ≤ 19,0 MJ/kg 16,3 ≤ Q ≤ 19,0 MJ/kg 16,0 ≤ Q ≤ 19,0 MJ/kg
(4,6 ≤ Q ≤ 5,3 kWh/kg) (4,5 ≤ Q ≤ 5,3 kWh/kg) (4,4 ≤ Q ≤ 5,3 kWh/kg)
Finos (F) - (< 3,15mm) (*) F ≤ 1% F ≤ 1% F ≤ 1%
Enxofre (S) (S) ≤ 0,03% (S) ≤ 0,03% (S) ≤ 0,04%
Nitrogênio (N) (N) ≤ 0,3% (N) ≤ 0,5% (N) ≤ 1,0%
Cloro (Cl) (Cl) ≤ 0,02% (Cl) ≤ 0,02% (Cl) ≤ 0,03%
Arsênico (As) - base seca (**) (As) < 1 mg/kg (As) < 1 mg/kg ( As) < 1 mg/kg
Cádmio (Cd) - base seca (**) (Cd) < 0,5 mg/kg (Cd) < 0,5 mg/kg ( Cd) < 0,5 mg/kg
Cromo (Cr) - base seca (**) (Cr) < 10 mg/kg (Cr) < 10 mg/kg ( Cr) < 10 mg/kg
Cobre (Cu) - base seca (**) (Cu) < 10 mg/kg (Cu) < 10 mg/kg ( Cu) < 10 mg/kg
Chumbo (Pb) - base seca (**) (Pb) < 10 mg/kg (Pb) < 10 mg/kg ( Pb) < 10 mg/kg
Mercúrio (Hg) - base seca (**) (Hg) < 0,1 mg/kg (Hg) < 0,1 mg/kg ( Hg) < 0,1 mg/kg
Níquel (Ni) - base seca (**) (Ni) < 10 mg/kg (Ni) < 10 mg/kg ( Ni) < 10 mg/kg
Zinco (Zn) - base seca (**) (Zn) < 100 mg/kg (Zn) < 100 mg/kg ( Zn) < 100 mg/kg
Aditivos (***) ≤ 2 w-% ≤ 2 w-% ≤ 2 w-%
Temperatura de fusão das cinzas (DT) (****) DT ≤ 1.200 ºC DT ≤ 1.100 ºC DT ≤ 1.100 ºC
(*) quantidade de finos no portão da fábrica para transporte a granel (no momento do carregamento), e em pequenos (até 20 kg) e grandes sacos (no momento do empacotamento ou
da entrega ao consumidor final); (**) 1.000 mg/kg = 1.00 ppm = 0,1%, "Analysis EN15297 " - Micro elementos;
(***) quantidade de aditivos em relação à massa prensada em base seca, sendo que o tipo (por exemplo, amido, farinha de milho, farinha de batata, óleo vegetal, etc.) e a quantidade
de cada aditivo, devem ser indicados na embalagem do produto; (****) Cinzas para determinar a temperatura de fusão são criadas a partir de 815ºC .
46
2.10.2 Torrefação
A torrefação é um tratamento não químico, que consiste em submeter a madeira à
temperaturas entre 200 e 300°C a uma pressão atmosférica próxima da ambiente, em
ausência de oxigênio. Nestas condições a umidade é removida e a hemicelulose degradada,
provocando a liberação de ácido acético, frações de fenol e outros compostos de baixo poder
calorifico. A lignina e a celulose também sofrem uma ligeira despolimerização. O material
resultante apresenta características intermediárias entre o carvão e a biomassa in natura.
O processo de torrefação tem como objetivo concentrar a energia da biomassa em
curto tempo e a baixas taxas de aquecimento e temperatura, permitindo reter os voláteis de
maior poder calorífico na própria biomassa.
Segundo Bourgeois (1989), o produto obtido pela degradação térmica parcial da
madeira, conhecido como madeira torrificada, apresenta as seguintes características:
a) Natureza Hidrofóbica: Não reabsorve a umidade durante a armazenagem, e
ao contrário da madeira e do carvão, é estável.
b) Boa concentração de energia: Apresenta em torno de 90% da energia
concentrada da biomassa inicial.
c) Alta densidade: A biomassa torrificadada pode ser usada de forma
compactada, apresentando uma densidade superior a 800kg/m3.
d) Ótimo balanço de durabilidade-friabilidade: A biomassa torrefeita se torna
friável, porém em menor grau que o carvão vegetal, o que facilita o manejo
do material sem perdas consideráveis na forma de finos.
Durante a torrefação, podem ser identificados dois tipos de reações, classificadas em
reações de termocondensação e carbonização. Esta última é cineticamente lenta no domínio
térmico da torrefação, mas pode crescer bruscamente acima de 250°C, com reações
fortemente exotérmicas, podendo conduzir a um aumento descontrolado da temperatura e,
consequentemente, a uma carbonização total do material. Portanto, para garantir que o
processo ocorra normalmente, é necessário retirar este calor gerado durante as reações de
carbonização. Também é recomendado que a torrefação seja executada em uma atmosfera
neutra ou redutiva, para inibir a oxidação ou ignição do material. A termocondensação indica
o processo no qual a madeira é submetida a reações químicas acompanhadas de eliminação
de água e com eventuais reações de descarboxilação interna (BOURGEOIS et al., 1989).
47
As características da madeira torrificada variam principalmente em função da
temperatura final do processo, mas também são influenciadas pelo tempo de residência,
velocidade de aquecimento e pelas próprias propriedades da biomassa (FELFLI et al., 1999).
Em uma torrefação típica, 70% da massa permanece como produto sólido ao final do
processo, os outros 30% são formados por gases e correspondem por 10% do conteúdo
energético (BERGMAN, 2005). Esse balanço energético pode ser representado pela figura
14.
Figura 14- Balanço de massa e de energia da torrefação. M=unidade de massa; E=unidade de energia. Adaptado de
Bergman, 2005.
São dois os grupos que se destacam na pesquisa sobre torrefação de biomassa, o
Grupo de Combustíveis Alternativos vinculado à UNICAMP e o Laboratório de Painéis e
Energia da Madeira vinculado à Universidade Federal de Viçosa. No último são realizados
estudos, juntamente com a Embrapa Floresta, visando a avaliar o efeito da temperatura de
torrefação nas propriedades energéticas na madeira de Eucalyptus sp, onde foram verificados
efeitos significativos nas propriedades da madeira com o aumento da temperatura de
torrefação, como mostrado na tabela 8.
Tabela 8- Propriedades químicas e físicas das amostras de madeira in natura e torrificada. Fonte Silva, 2014
Propriedade Unidade Controle 170° 220° 260°
Teor de Carbono Elementar % 47,4 47,7 50,4 54,1
Teor de lignina % 32,7 34 41,2 52,2
Umidade % 12,3 9,2 6,5 5,,7
Densidade a granel kg/m3 239 378 385 396
Poder Calorífico Superior kcal/kg 4465,0 4570,2 4772,7 4945,0
Densidade Energética Mcal/m3 882 1440 1593 1727
Comparando a madeira in natura com a madeira torrificada a 260°C observam-se
aumentos no teor de carbono elementar de 47,4% para 54,1%, no teor de lignina de 32,7%
48
para 52,2%, no poder colorífico superior de 4465 para 4945 kcal/kg, na densidade a granel
de 239,1 para 396,0 kg/m³, na densidade energética de 882 para 1727 Mcal/m3 e na redução
da umidade de 12,27 para 5,59%. Todas essas mudanças nas propriedades das partículas da
madeira são vantajosas quando a finalidade é a produção de energia.
A torrefação, ao degradar preferencialmente a hemicelulose, concentra os teores de
lignina no material resultante, constituinte estrutural da madeira com maiores proporções de
carbono, por consequência mais energéticos e com características mais hidrofóbicas. Ao
destruir parcialmente a estrutura fibrosa das partículas de madeira, a torrefação as deixa mais
quebradiças. Isso faz com que o material torrificado tenha uma granulometria média inferior
ao material in natura, facilitando uma melhor sobreposição de partículas, aumentando-se a
densidade a granel do material (SILVA, 2014).
Diante deste cenário pode-se afirmar que a torrefação, apresenta um efeito positivo
nas propriedades energéticas da madeira, podendo ser considerado um tratamento
tecnicamente viável e com potencial de exploração. Dentre as principais destinações do
material torrificado estão a produção de peletas e briquetes, a gaseificação e a co-geração de
energia (SILVA, 2014).
No Brasil, atualmente, não há plantas industriais para torrefação de biomassa com
fins energéticos. As principais plantas industriais de torrefação estão implantadas
principalmente na Europa, com destaque para França e Holanda. Basicamente são dois os
diferentes tipos de processo para torrefação.
No primeiro, desenvolvido pela Pechiney Eletrometalurgia, a transferência de calor
se dá por condução entre a biomassa e as superfícies aquecidas do reator, onde as paredes
do forno são aquecidas pelo vapor produzido numa caldeira. Neste método a biomassa
precisa ser seca e picada para uma melhor torrefação. No segundo, desenvolvido pela
Companhia Pillar, a transferência de calor se dá por convecção, no qual o gás de combustão
é forçado a passar através da madeira. Este sistema é constituído por um forno túnel, onde
também se realiza a secagem (LUENGO et al., 2006). Nas figuras 15 e 16 mostram estes
dois processos.
49
Figura 15- Planta de torrefação industrial Pechiney Eletrometalurgia. Fonte Luengo, 2006.
Figura 16- Planta de torrefação industrial Pillar. Fonte Luengo 2006.
Recentemente uma tecnologia para secagem de biomassa com vapor superaquecido
está sendo usada também para torrefação. Neste processo, a biomassa é torrefeita através de
vapor superaquecido, no qual é reciclado entre a biomassa e um sistema de aquecimento que
fornece energia necessária para o processo. Esta tecnologia consegue torrificar peças
maiores de madeira, mas necessita-se de maiores investimentos (LUENGO et al., 2006).
2.10.3 Peletas torrificadas
O princípio de fabricação dos pellets torrificados são os mesmos daquele utilizado
para a produção dos pellets convencionais conforme figura 17. A diferença está apenas na
torrefação da biomassa anteriormente ou posteriormente à peletização. No primeiro caso, a
vantagem é a necessidade de menor energia para moagem (refinação) da biomassa, pois a
50
torrificada é mais friável do que in natura. No segundo caso, a vantagem é de se obter dois
produtos para comercialização, tanto as peletas torrificadas quanto as convencionais.
Tabela 9- Propriedades energéticas da lenha, cavacos, peletas convencionais e torrificadas e carvão mineral. Fonte
Pinatti, 2012
Propriedades Lenha Cavacos Peletas
Convencionais
Peletas
Torrificadas
Carvão
Mineral
Umidade (%) 30-50 35-45 8-10 1-7 <10
Massa Especifica (kg/m3) 450 300 650 690-740 850
Poder Calorífico Inferior (MJ/kg) 8-12 9-10 17 19-22 25
Densidade Energética (GJ/m3) 6-8 3 11 13-15 21
Figura 17- Fluxograma do processo de fabricação de peletas torrificadas.
Como demonstrado pela tabela 9, as peletas produzidas a partir de biomassa
torrificada apresentam inúmeras vantagens, principalmente energéticas, se comparadas com
as convencionais. Contêm em média, para um mesmo volume, 30% a mais de energia,
aumentando a eficiência energética e diminuindo custos com transporte e armazenamento.
Possuem características hidrofóbicas e não sofrem com ação de micro-organismos
(degradação), favorecendo a manipulação e armazenamento em ambientes externos e
também havendo redução da energia no processo de moagem devido à maior friabilidade da
biomassa torrificada.
51
Outro ponto importante é que estudos mostram que as peletas torrificadas não
necessitam de modificações nos sistemas de combustão e que os desempenhos obtidos são
globalmente melhores em termos de rendimento térmico, facilidade de ignição e de menores
índices de emissões poluentes. Desta forma pode-se afirmar que as peletas produzidas a
partir de biomassa lenhosa torrificada apresenta um grande potencial para substituir as
peletas convencionais e a madeira in natura utilizadas em caldeiras domésticas e industriais
para geração de energia em termoelétricas (COUTO, 2014).
2.10.4 Tecnologia de pavimentação
Pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída
sobre a superfície final de terraplanagem. O pavimento rodoviário classifica-se em dois
tipos, os rígidos representado pelo pavimentos de concreto de cimento Portland e os flexíveis
representado pelo pavimento asfáltico (BERNUCCI et al., 2006).
Os pavimentos asfálticos são aqueles em que o revestimento é composto por uma
mistura constituída basicamente de agregados e ligantes asfálticos. Estes podem ser
associados de duas maneiras, penetração ou por mistura. Por penetração refere-se à aplicação
do material asfáltico e posteriormente o espalhamento e compressão de camadas de
agregados com granulometrias apropriadas. No revestimento por mistura, o agregado é pré-
envolvido com material asfáltico antes da compressão, chamados de pré-misturados, que se
subdividem em a quente ou a frio, o qual será adaptado para este trabalho (BERNUCCI et
al., 2006).
Na composição da mistura asfáltica são utilizados os seguintes materiais:
Pedra, escória ou cascalho rolado, britados nas granulometrias adequadas,
representando o agregado graúdo;
Areia e/ou pó de pedra, de granulometria adequada, representando o agregado
miúdo;
“Filler”, material mineral, pulverizado bem fino, representando o “material
de enchimento”.
Cimento asfáltico de petróleo (CAP) representando o ligante asfáltico.
A obtenção de uma mistura asfáltica envolve a associação de agregado com o ligante
em proporções predeterminadas no projeto de dosagem para produzir uma massa homogênea
de acordo com as especificações e critérios adotados. As misturas são realizadas em usinas
52
que podem ser estacionárias ou móveis, mediante a um misturador alimentados com silos de
agregados e emulsão asfáltica. As misturas asfálticas são levadas ao local de execução do
pavimento por meio de caminhões transportadores geralmente com báscula traseira. Estas
devem ser lançadas em camada uniforme de espessura e seção transversal definida, pronta
para a compactação que tem a função de aumentar a estabilidade da mistura, reduzir o índice
de vazios e proporcionar uma superfície suave. O lançamento é realizado por
vibroacabadoras e a compactação por rolos compactadores (BERNUCCI et al., 2006).
A composição do pré-misturado a frio deve satisfazer os requisitos da norma DNER-
ES 317/97, conforme tabela 10.
Tabela 10 - Composição pré-misturado a frio. Fonte DNER-ES 317/97.
O equipamento de compressão recomendado para este tipo de revestimento é o de
rolo liso vibratório ou rolo pneumático e rolo metálico liso, tipo tandem. Os rolos
compressores tipo tandem devem ter uma carga de 8 a 12t. Os rolos pneumáticos,
autopropulsores devem ser dotados de pneus que permitam a calibragem de 0,25 a 0,85
MPa.
53
3 Materiais e Métodos
O trabalho foi conduzido no Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de
Engenharia de Lorena (EEL-USP) e constituiu na realização de ensaios de compactação e
cálculos de balanço de massa e energia das PPT para retenção de carbono das emissões
fósseis ao longo dos anos.
3.1 Ensaio de compactação
3.1.1 Materiais empregados no ensaio
Na produção do corpo-de-prova era previsto a utilização de alguns aglutinantes
(alcatrão, impermeabilizantes, cal/sílica) e biomassa torrificada na forma de peletas e
particulados. Entretanto, não foram encontradas peletas torrificadas no mercado nacional.
Portanto foram utilizadas peletas convencionais doadas pela Madeireira Madersul (São
Paulo), finos de carvão adquiridos na Madeireira Pinhal (São Paulo) e alcatrão vegetal
cedido pela Vallourec Florestal (Minas Gerais).
Como misturador mecânico foi adaptado um recipiente cilíndrico, em PVC, nas
medidas de 200 mm de diâmetro por 720 mm de altura, fixado a uma betoneira, conforme
figura 18.
Figura 18- Misturador mecânico adaptado.
Para o ensaio de compactação foi usada uma prensa hidráulica 200 t EVA e
desenvolvidos/construídos os seguintes componentes:
54
Um molde cilíndrico para confecção do corpo-de-prova, conforme figura 19;
Figura 19- Molde cilíndrico.
Uma placa base de modo a encaixar perfeitamente ao molde, conforme figura
20;
Figura 20- Placa base.
55
Um soquete de compactação composto por duas hastes soldadas a duas
bolachas circulares, conforme figura 21;
Figura 21- Soquete de compactação.
Um extrator de corpo-de-prova, conforme figura 22.
Figura 22- Extrator de corpo-de-prova
3.1.1 Metodologia
A tecnologia de formação da pilha de biomassa torrificada a ser utilizada é similar à
de pavimentação de vias públicas, portanto para os ensaios de compactação foram utilizadas
adaptações das normas já existente para ensaios DNER-ME 107/94 e DNER-ES 317/97,
conforme os procedimento abaixo:
a) Determinadas as porcentagens, em massa de cada material, calcula-se a
quantidade de cada um deles para um corpo de prova com 800,00 g.
b) Pesam-se os materiais nas quantidades de cada fração obtida de acordo com os
cálculos feitos.
56
c) Homogeneiza-se a mistura usando misturar mecânico, efetuando a mistura até a
completa cobertura dos agregados.
d) Coloca-se o molde em posição no suporte de compactação (Prensa) acoplado com
a placa base.
e) Despeja-se a mistura de uma só vez no molde, acomodando-a com impactos ao
redor do molde.
f) Molda-se o corpo-de-prova aplicando determinada pressão com o soquete. Então,
é desacoplada a placa base e o molde é invertido. Novamente a placa base é
acoplada ao molde e aplica-se determinada pressão com o soquete.
g) Após a compactação, é retirada a placa base do molde e encaixado o extrator de
corpo-de-prova. Então, aplica-se determinada pressão para retirada do corpo-de-
prova.
h) É então pesado o corpo-de-prova e anotados suas dimensões.
3.1.2 Determinação da composição da mistura
Para determinação da composição da mistura utilizou-se o seguinte método:
a) Calculou-se a porcentagem de vazios existente em certo volume de peletas de
acordo com a equação 1:
𝑉𝑣 =𝑉𝑎 − 𝑉𝑡
𝑉𝑎=
𝑃𝑑
−𝑃𝐷
𝑃𝑑
=𝐷 − 𝑑
𝐷
(1)
Sendo:
Vv = Porcentagem de vazios
Va = Volume aparente das peletas (cm3)
Vt = Volume teórico das peletas (cm3)
P = Massa total das peletas (g)
D = Densidade teórica das peletas (g/cm3)
d = Densidade aparente das peletas (g/cm3)
b) Então, a partir da porcentagem de volume vazios é calculado a quantidade, em
massa, de finos de carvão para preenche-los, de acordo com a equação 2:
57
𝑀 = 𝑑 × 𝑉𝑣 × 𝑉𝑎
(2)
Sendo:
M = Massa de finos de carvão (g)
d = densidade aparente dos finos de carvão (g/cm3)
Vv = Porcentagem de vazios
Va = Volume aparente das peletas (cm3)
c) A quantidade de aglutinante a ser utilizado na mistura, conforme a literatura de
pavimentação DNER-ES 317/97, é de 4 a 6%. Foi arbitrado um valor de 8% em massa de
alcatrão sobre os 100% da mistura, ou seja:
%𝐴𝑙𝑐𝑎𝑡𝑟ã𝑜 =
8 × 100
108= 7,4%
(3)
Determinada as porcentagens de cada material prossegue-se para a metodologia de
ensaio de compactação descrito no item 3.1.1.
3.2 Balanço de massa e energia para retenção do carbono das emissões fósseis.
O balanço de massa e energia foi feito de acordo com a metodologia já adotada por
Pinatti (2010), a qual será revisada neste item:
a) A atualização dos consumos anuais de combustíveis fósseis e tempo de vida das
reservas são feitos mediante dados estatísticos da British Petroleum (BP, 2014).
A quantidade de carbono fóssil emitido é calculado a partir do consumo anual,
em toneladas equivalentes de petróleo, considerando os fatores de conversão
descritos na tabela 11.
A energia de reserva fóssil é calculada pelo produto entre quantidade presente na
respectiva reserva, em toneladas equivalentes de petróleo, por 42 GJ (quantidade
de energia contida em 1 tep) (BRITISH PETROLEUM, 2014).
58
Tabela 11- Emissões de CO2 por tonelada equivalente de petróleo. Fonte BRITISH PETROLEUM, 2014.
Fonte Quant. Consumida (tep) CO2 emitido (t)
Petróleo 1 3,07
Gás Natural 1 2,35
Carvão 1 3,96
b) Encontra-se o volume de PPT (VPPT) necessário para retenção do carbono
emitido por cada fonte fóssil utilizando a equação 4:
𝑉𝑃𝑃𝑇 =𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜 (
𝑡𝐶𝑎𝑛𝑜)
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑒𝑚 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 (𝑡𝐶𝑚3)
(4)
c) Encontra-se a massa de PPT (MPPT) através da densidade conforme equação 5:
𝑀𝑃𝑃𝑇 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑃𝑃𝑇 (
𝑡
𝑚3) × 𝑉𝑃𝑃𝑇 (
𝑚3
𝑎𝑛𝑜)
(5)
d) Segundo Brandão (1984) é estimado que 1 ha gera 40 toneladas de biomassa seca
por ano, onde cerca de 16 toneladas sejam de resíduos e 24 de biomassa limpa do
tronco. O primeiro seria destinada a produção de peletas torrificadas. Portanto
calcula-se a área necessária (AF) para produção da massa de PPT através da
equação 6:
𝐴𝐹 =𝑀𝑃𝑃𝑇 (
𝑡𝑎𝑛𝑜)
16 (𝑡
ℎ𝑎. 𝑎𝑛𝑜)
(6)
e) Como é estimado que 1 ha gera 24 toneladas de biomassa seca limpa do tronco,
calcula-se a quantidade de biomassa limpa (MBSLT) gerada a partir de AF de
acordo com a equação 7:
𝑀𝐵𝑆𝐿𝑇 = 𝐴𝐹(ℎ𝑎) × 24 (
𝑡
ℎ𝑎. 𝑎𝑛𝑜)
(7)
59
f) Estima-se que cada tonelada de biomassa seca limpa do tronco produz 100 kg de
H2 (Pinatti, 2013), calcula-se então a quantidade produzida de H2 (Produção H2)
através da equação 8:
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢çã𝑜 𝐻2 = 𝑀𝐵𝑆𝐿𝑇 (
𝑡
𝑎𝑛𝑜) × 100 (
𝑘𝑔
𝑡)
(8)
g) O H2 produzido pode ser usado para hidrocraqueamento e hidrotratamento na
refinaria de petróleo e para suprir deficiência do metanol do carvão. Estimando-
se que é gasto 51,2 kg de H2 por barril de petróleo calcula-se a quantidade
consumida de H2 multiplicando esses valores pelos seus respectivo consumo, de
acordo com a equação 9:
𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝐻2 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 (
𝑏
𝑎) × 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝐻2 (
𝑘𝑔 𝐻2
𝑏)
(9)
60
4 Resultados
4.1 Ensaio de compactação
Através dos cálculos mostrados no item 3.1.2 foram encontrados as frações para cada
material, conforme tabela 12.
Tabela 12- Frações de cada material no corpo-de-prova.
Material ρ (g/cm³) (%) g
Peletas 0,612 79,0 632,0
Finos 0,29 13,6 108,8
Alcatrão 1,18 7,4 59,2
ρ = massa específica aparente.
No preparo da mistura, primeira etapa do ensaio de compactação, ao realizar a
mistura de todos os materiais de uma vez (peletas, finos e alcatrão), o alcatrão se juntava ao
material fino formando uma pasta que não se misturava com as peletas e consequentemente,
a peleta não era pré-envolvida totalmente pelo alcatrão. Por este motivo a metodologia foi
modificada, sendo primeiramente realizada a mistura das peletas com o alcatrão (cerca de 3
minutos, variando a posição da betoneira) e posteriormente era adicionado o material fino.
Desta forma foi obtido uma melhor homogeneização da mistura, conforme figura 23.
Figura 23- Mistura dos materiais.
O ensaio de compactação foi feito conforme metodologia do item 3.1.1 e esquema
da figura 24. A pressão de compactação variou-se de 5 em 5, até 35 toneladas, para cada
ensaio. Os resultados, ou seja, a coesão dos corpos de prova obtidos estão apresentados na
tabela 13. Entende-se por coesão como a resistência ao cisalhamento da pilha, quando sobre
ela não atua nenhuma força externa.
61
Figura 24- Esquema do ensaio de compactação.
Tabela 13- Resultados da compactação
Pressão (toneladas) Tensão (MPa) Coesão do corpo de prova
5 2,6 Nulo
10 5,2 Nulo
15 7,8 Nulo
20 10,4 Razoável
25 13,0 Razoável
30 15,6 Razoável
35 18,2 Moldado
Sendo que, entende-se por coesão
Nulo, quando não há coesão entra os materiais; o corpo-de-prova (CP) se desmancha
após retirada do extrator;
Razoável, quando há mínima coesão; o corpo-de-prova se mantém moldado após
retirada do extrator, mas se desmancha com o manuseio;
Moldado, quando há coesão entre os materiais; o corpo-de-prova se mantém moldado
mesmo após manuseio, como mostrado na figura 25.
62
Figura 25- Corpo-de-prova moldado.
Como pode ser observado pelos resultados da compactação, a coesão do CP
aumentou com o a pressão. Entretanto, não foi possível a medição de propriedades como
resistência à tração e compressão pois, mesmo apresentando certa coesão, o CP não
apresentou resistência suficiente para o teste. Partindo do pressuposto que a quantidade de
alcatrão poderia influenciar na resistência do CP, esta foi variada para 10% e 15% em relação
ao total da mistura (conforme tabela 14), mantida a mesma pressão de compactação de 35
MPa, o CP continuou a apresentar o mesmo comportamento, não havendo diferença
significativa no resultado.
Tabela 14- Variação na proporção do alcatrão.
Material Ensaio 1 Ensaio 2
(%) g (%) g
Peletas 77,5 600,0 74,1 600,0
Finos 13,4 103,8 12,8 103,86
Alcatrão 9,1 70,4 13,1 105,58
Os principais objetivos do ensaio eram:
a) A compactação da biomassa para utilização desses dados para realizar o cálculo de
balanço de massa e energia referentes à estocagem de carbono em PPT e para isto, o
ensaio se mostrou eficiente;
b) A tecnologia de construção da pilha, o que não foi alcançado;
No CP prensado com 18,2 MPa foi obtida uma massa especifica aparente de 0,784
g/cm³. Comparada com a massa específica aparente da peleta convencional, de 0,612g/cm³,
63
houve um aumento de 22%. Estimando-se que haverá a mesma variação para a pilha
formada com peletas torrificadas, a densidade após compactação poderá variar de 0,740
g/cm³ (massa específica aparente da peleta torrificada) para 0,900 g/cm³ (massa específica
aparente da PPT).
4.2 Balanço de massa e energia para retenção do carbono das emissões
fósseis.
De acordo com os cálculos mostrados no item 3.2 e o resultado encontrado para a
massa específica aparente do CP ensaiado foram montadas as tabelas 15, 16, 17 e 18.
Tabela 15- Dados relativos às fontes de energia de origem fóssil.
EF (1015 MJ) C (109) E tC/a (109) TVR (anos)
Petróleo 9,66 33,30 b/a 3,77 50,7
Carvão 24,90 5,74 t/a 4,13 155,2
Gás Natural 7,03 3350 m³/a 1,93 55,4
Total 41,59 9,83
EF = Energia da reserva fóssil, C = Consumo do combustível fóssil, E = Emissão relativa à queima
de combustível fóssil, TVR = Tempo de vida da reserva fóssil.
Tabela 16- Balanço de massa relativo à retenção de todo carbono fóssil emitido por suas respectivas fontes.
Petróleo Carvão Gás Natural Total
Volume PPT (109 m3/a) 7,74 8,48 3,96 20,18
Massa PPT (109 t/a) 6,97 7,63 3,57 18,17
AF (109 ha) 0,483 0,530 0,248 1,261
MBSLT (109 t/a) 11,61 12,72 5,94 30,27
Produção H2 (1012 kg H2/a) 1,16 1,27 0,59 3,02
Gasto H2 (1012 kg H2/a) 1,71 0,92 0,0 2,63
AF = Área de florestas energéticas, MBSLT = Massa de biomassa seca limpa do tronco.
Como pode ser visto na tabela 15, seria necessária a construção de 20,18 m³/a de PPT
para retenção do carbono fóssil emitido anualmente, sendo o carvão responsável pela maior
parcela, 42%. A área de florestas energéticas visando à produção de resíduos para formação
das PPT seria de 1,26 bilhões de ha, aproximadamente 12,6 milhões de km2. Com esta área
seriam produzidos 30,27 Gt/a de biomassa seca limpa dos troncos que se destinados à
produção de H2, produziriam, a uma taxa estimada de 100kg H2/TBS (tonelada de biomassa
seca), 3,02 Gt/a de H2.
64
Tabela 17- Balanço de energia em relação à construção de pilhas de peletas torrificadas.
Volume total PPT (1011 m3) Energia total (1015 MJ)
Petróleo 3,925 7,24
Carvão 13,160 24,28
Gás Natural 2,196 4,05
Total 19,281 35,57
De acordo com a tabela 16, o volume total ocupado pelas PPT é igual à soma dos
produtos entre o tempo de vida de cada reserva fóssil pelo seu respectivo volume de PPT
requerido, que seria equivalente a 1.928,1 bilhões de m³, as quais seriam formadas ao longo
dos anos de consumo do combustível fóssil. O consumo de carvão é o maior responsável
pelo volume total de PPT necessário para retenção do carbono das emissões fósseis, cerca
de 68%. Já o consumo do petróleo e do gás natural são responsáveis, respectivamente, por
20 % e 12% do volume total de PPT.
Tabela 18- Balanço de energia em relação à produção de hidrogênio.
Total H2 produzido (1013 kg) Energia total (1015 MJ)
Petróleo 5,89 8,41
Carvão 19,74 28,21
Gás Natural 3,29 4,70
Total 38,77 41,32
Conforme tabela 17, a energia total acumulada na biomassa (PPT + H2) é maior
que a energia total acumulada nas reservas fósseis, indicando que, energeticamente, seria
possível a substituição da energia fóssil pela da biomassa. Porém esta substituição é
técnica, economicamente e logisticamente inviável pelas tecnologias convencionais. Para
isso é necessário a aplicação do conceito da ITERF, com as seguintes premissas.
a) A energia fóssil continuará sendo utilizada, passando parte de sua rentabilidade
para a formação das pilhas de PPT
b) O consumo da energia fóssil continuará sendo convencional em qualquer lugar e
por qualquer tecnologia
c) As PPT seriam formadas preferencialmente nos países tropicais que possuem maior
taxa de crescimento de biomassa.
d) Para segurança energética, parte do carvão mineral seria substituído por PPT com o
aproveitamento dos resíduos de biomassa local. Para isso uma certa quantidade de
PPT seria formada nos países fora da zona tropical.
65
e) A formação das PPT estimulará o “greening” mundial e também a ampliação da
economia dos países envolvidos no uso desta tecnologia.
Na figura 26 estão resumidos os resultados dos balanços de massa e energia,
recalculados com os valores da compactação obtidas nesse trabalho.
66
Figura 26- Fluxograma resumindo o balanço de massa e energia para retenção de todo carbono das emissões fósseis.
67
5 Conclusão
Como é evidenciado pelos dados mundiais, há um crescente aumento na oferta e
demanda das energias de origem fóssil consequentemente do aumento das emissões de CO2.
Muitos são os questionamentos sob o chamado efeito estufa. Órgãos governamentais, como
a ONU e o IPCC tentam provar que o CO2 tem forte influência no aquecimento global; já
pesquisadores independentes afirmam que os tempos estudados são muito curtos para tal
conclusão.
Dada a crescente popularização de que as mudanças climáticas estão ligadas à
emissão dos GEE, é criada uma demanda por tecnologias e ações que visam à mitigação
destas emissões. Portanto a captura, sequestro e retenção de CO2 são cada vez mais
empregados em resposta à imposição pública.
Diante deste cenário, neste trabalho procurou-se estudar um novo conceito de
mitigação de CO2, a retenção de carbono em pilhas de peletas torrificas (PPT), visando a um
levantamento de dados técnicos para uma futura elaboração de projeto de construção de uma
pilha piloto de 1 ha de base. Para isto foi desenvolvido um sistema de compactação baseado
em normas já existentes para pavimentação de vias públicas e através dos resultados
preliminares encontrados foram realizados cálculos de balanço de massa e energia
objetivando estimar o volume de PPT necessário para a retenção de todo carbono emitido
pela fonte de origem fóssil.
Na confecção do corpo de prova, o alcatrão usado como aglutinante não trabalhou
como o esperado, ou seja, o corpo de prova não apresentou resistência suficiente para
realização de testes de tração e compressão para especificação de dados para engenharia de
construção da pilha.
Em trabalhos futuros, é importante haver um estudo sobre a polimerização do
alcatrão para conseguir uma maior resistência do corpo de prova. Na literatura foi encontrado
um estudo em que o alcatrão é polimerizado através da reação catalítica fenol-formaldeído,
na qual os próprios ácidos orgânicos presentes no alcatrão atuam como catalisadores na
reação entre os grupos fenólicos presentes no alcatrão e o aldeído fórmico adicionado
(PELISSARI, 1985).
Caso a densificação estimada para PPT seja concretizada, as PPT surgem como uma
alternativa importante na mitigação do CO2. O volume de 1.928,1 bilhões de m³, é
68
aproximadamente igual a 39.000 pilhas de 1km² de base por 50 m de altura, ou seja, ocuparia
uma área de 39.000 km², equivalente a 94,2 vezes a área ocupada pelo município de Lorena,
que é de 414 km². Levando em consideração que as pilhas seriam distribuídas em todo o
mundo, esta área pode ser considerada pequena.
A área de florestas energéticas, que é de 1,26 bilhões de ha, fornecerá os resíduos
para as PPT. Para efeito de comparação, segundo a FAO, a área total mundial de terras
apropriadas para cultivo é de 13,0 bilhões de ha. As florestas naturais e plantadas ocupam
4,0 milhões de ha (30%) desta área e a agricultura, 4,9 milhões de ha (37%).
O volume de PPT, assim como a área de florestas energéticas, podem diminuir ao
longo dos anos devido ao crescimento do uso das energias renováveis em substituição às
fósseis, à melhora na eficiência energética e às contribuições de sequestro de CO2 de
tecnologias já existentes. Por outro lado, as novas descobertas de reservas de combustíveis
fósseis podem aumentar ambas as áreas.
A engenharia de construção empregada nas PPT seria similar à de pavimentação de
vias públicas. A mistura dos materiais seria feita em usinas estacionárias ou móveis,
posteriormente levadas em caminhões basculantes para o local de construção. A mistura
seria lançada, por vibroacabadoras, em camadas uniformes pré-estabelecidas e
posteriormente compactadas através de rolos compactadores. A base, laterais e topo seriam
impermeabilizados com geomembranas de polietileno de alta densidade (PEAD) evitando a
contaminação das pilhas. O topo seria coberto com coletores parabólicos térmicos para
aquecimento de ar e coleta de água da chuva, onde instalações próximas poderiam
beneficiar-se destas vantagens. As pilhas necessariamente precisariam ser construídas
próximas a parques industriais energéticos, como próximas a termoelétricas, para
aproveitamento da logística e infraestrutura já existente.
O custo para construção das PPT possivelmente será menor do que o custo das
tecnologias atuais de sequestro geológico e químico de CO2. Tanto no sequestro geológico
quanto no químico é necessário a etapa de separação e/ou purificação do CO2 de outros
gases, etapa considerada a mais cara de todo o processo de sequestro. Já na PPT esta captura
é feita com custo praticamente nulo, pois a biomassa é um capturador bioquímico natural de
CO2, que posteriormente será retido nas PPT.
Na tabela 19 são mostrados dados para efeito comparativo entre pilhas de celulignina
(PCL), pilhas de peletas torrificadas e pilhas de peletas convencionais (PPC) utilizando as
69
mesmas estatísticas de consumo e reserva de energia fóssil. A celulignina é obtida através
do tratamento da biomassa em um reator de pré hidrólise (Pinatti, 2010).
Tabela 19- Comparação entre pilhas de celulignina, pilhas de peletas torrificas e pilhas de peletas convencionais.
ρ (kg/m3) %C (m/m) Volume total (1011 m3) N° de pilhas AF (109 ha)
PCL 1250 55,2 18,24 28.000 1,391
PPT 900 54,1 13,61 39.000 1,261
PPC 780 47,4 25,45 51.000 1,299
ρ = massa específica, AF = área de florestas energéticas.
Comparando-se primeiramente as PPT com as PCL, estas apresentam as mesmas
características de não degradação biológica e hidrofobia, podendo se manter estáveis por
centenas de anos. A PPT possui menor massa específica aparente, portanto um número maior
de pilhas seria necessário para retenção total do carbono fóssil, aproximadamente em 11.000
pilhas, aumentando cerca de 11.000 km² a área utilizada para construção da PPT
A área de florestas para produção de PPT é diminuída em relação à necessária para
produção da PCL, conforme mostrado na tabela 16. Esta diferença é relativa ao
aproveitamento da massa de resíduo florestal gerado. Na PCL, 20% da massa dos resíduos
é perdida na transformação em celulignina, já na PPT, 10% da massa é perdida na
transformação em peletas torrificadas.
A grande vantagem da PPT sobre a PCL está no custo, pois o processo de pré-
hidrólise utilizado para obtenção da celulignina é relativamente alto em comparação com o
processo exigido para transformação dos resíduos em peletas torrificadas.
A formação de pilhas de peletas convencionais (PPC) seria viável por apresentar
valores próximos aos das outras pilhas. Entretanto, o problema deste tipo de pilha é a
facilidade com que a peleta convencional é degrada, podendo não ser estável ao longo dos
anos.
Para que se possa avaliar com maior segurança a viabilidade técnico-econômica das
PPT para retenção do carbono das emissões fósseis, e portanto sua sustentabilidade, são
necessários maiores estudos nesta área, destacando-se o detalhamento da engenharia que
seria empregada na construção pilha, sua real estabilidade química e física e a logística de
produção e construção.
70
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Transport. International Journal of Greenhouse Gas Control, 1, 2007, 343-354.
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Janssen. Torrefaction for entrained-flow gasification of biomass. Petten, Netherlands:
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formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro : PETROBRAS: ABEDAA, 2006.
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