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II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração

Por: Edgardo Olivares Gómez

Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída – NESTUniversidade Federal de Itajubá – UNIFEI

12 – 13 de Junho de 2007Pirassununga, SP

II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração

Autores: Edgardo Olivares Gómez

Mónica Andrea Gualdrón MendozaDoris del Socorro Obando Coral

II GERA: Worshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a Geração

Objetivo:Mostrar o potencial técnico que representam algumas das principais rotas tecnológicas de produção de biocombustíveis de 2a y 3a geração pela plataforma termoquímica, a partir dos subprodutos da cana de açúcar (bagaço e palha de cana) visando-se um modelo energético mais avançado para o setor sucroalcooleiro nacional.

Tecnologias para vetores bioenergéticos de 1ª, 2a e 3a geração na agroindústria canavieira

Agenda:Panorama sobre cenários de energia – reflexões..

Modelos de produção de bioenergia em larga escala no setor sucroalcooleiro no Brasil – passado e presente.., dados do setor, evolução e consolidação..

Biocombustíveis líquidos de 1a geração no setor sucroalcooleiro nacional – o caso do Etanol Combustível, rota tecnológica, custos, expansão..

Principais atrativos em tecnologias termoquímicas para vetores bioenergéticos líquidos – O syngas de materiais lignocelulósicos, características e aplicações..

Introdução ao cenário de produção de combustíveis de 2ª e 3ª geração – presente e futuro, aspectos tecnológicos, custos..

Pesquisa, desenvolvimento e demonstração de tecnologias – O caso da tecnologia CHOREN para diesel F-T..

Considerações finais..

Fontes de Energia

Fonte: Queiroz, M. S., 2006

Fonte: BEN – MME, 2005

Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta de Energia – CenárioMundial

Consumo de energia mundial de 15,7 bilhões tep (2004)

Fontes de EnergiaEvolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta e Consumo de Energia –

Cenário Nacional

>30%

FR=44-46%

>120 M tepTOTAL >191 M tep

Fonte: BEN – MME, 2005

Fontes de Energia – Cenário Nacional

Extensão territorial 8.5 M km2;População de 176,9 M habitantes (aprox. 3% da população mundial) e PIB de 498,4 bilhões US$-PIB energético de 34,4 bilhões US$ (dólar constante de 2003)Consumo de energia de 180,8.106 tep no ano de 2003 (aprox. 2,6% do consumo mundial em 2001);47% da matriz primária é renovável: hidráulica 14,3% e biomassa32,6% (lenha 14,1% , produtos da cana-de-açúcar 15,4% e outrasfontes 3,1%);Oferta interna de energia-OIE de 201,7 M tep no ano de 2003: petróleo e derivados 40,0%, hidráulica e eletricidade 14,5%, e biomassa 29,6% (biomassa no mundo foi de 11,4% em 2001);Emissões de 1.7 tCO2 /tep (no mundo 2.36 tCO2 /tep ) – 72%

Fonte: BEN – MME, 2004

Fontes Fósseis Líquidas

Cenário Nacional de consumo de Diesel e Gasolina:

Total: 40 bilhões de litros/ano(diesel):- Transporte: 32,1 bilhões litros/ano (80,3%);- Agricultura: 6,51 bilhões litros/ano (16,3%);- Indústria: 0,84 bilhão litros/ano (2,2%);- Outros: 0,45 bilhão litros/ano (1,2%)- Importação de diesel: 6% a 8% do consumo

Total: 17,7 bilhões de litros (gasolina):

Fonte: BEN – MME, 2005

Fontes Fósseis

Rotas de aplicações:

1. Fonte de energia 2. Insumos para produtos químicos

Prospecção:

1. Extensão do período de uso2. Substituição gradativa das fontes fósseis no setor energético e de transportes (fontes renováveis de biomassa)

Fontes de Biomassa – Biomassa Tradicional

Lenha e Carvão Vegetal:

Bagaço de Cana:101,8 M ton (2004) - Uso nas usinas4,6% crescimento em relação 2003Excedente de 8,2 M ton – Uso não energético

Consumo de carvão vegetal:

9,8 M ton (2004), 16,9% crescimento em relação 2003

Fonte: BEN – MME, 2005

Fonte: BEN – MME, 2005

PRINCIPAIS cenários de desenvolvimento tecnológico em rotas energéticas baseadas em vetores biocombustíveisFORMAS DE ENERGIA PARA O

USUÁRIO FINAL FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA PROCESSO PRIMÁRIO

Combustíveis líquidos

Etanol Cana-de-açúcar Fermentação-Destilação

Ethanol Milho, mandioca e sorgo Sacarificação-Fermentação-Destilação

Ethanol Bagaço e palha de cana, switchgrass. etc. Hidrólise (ácida e enzimática)

Metanol Bagaço e palha de cana, casca de arroz, switchgrass, etc.

Gaseificação e sínteseposterior

Biodiesel Dendê, mamona, soja, gordura animal, etc. Transesterificação

Combustíveis F-T Resíduos de Biomassa Gaseificação e síntese posterior

Combustíveis gasosos

Biogás Resíduos sólidos municipais Fermentação Anaeróbica

Hidrogênio Resíduos de Biomassa Reforma de Metanol, Etanol e rota Syngas

Energia elétrica

Energia elétrica Biomassa (casca de arroz, resíduos de madeira, etc.)

Gaseificação, Combustãoe Pirólise

Energia elétrica Bagaço de cana-de-açúcar, Licor Negro, etc. Combustão (Co-geração)

Calor de processo

Carvão vegetal Madeira Carbonização

Calor Resíduos de madeira, biomassa vegetal em geral

Combustão, Gaseificaçãoe Pirólise

Vetores bioenergéticos líquidos de 1a e 2a

geração- Principais prioridades e atrativos no Brasil

1. ETANOL da cana-de-açúcar e outros insumos (mandioca e sorgo) - processo convencional;

2. ETANOL de lignocelulósicos - processo de hidrólise;

3. BIODIESEL de óleos vegetais e outros substratos;4. BIO-ÓLEO de resíduos agroindustriais e florestais

via pirólise rápida para syngas;5. METANOL e Combustíveis Fisher-Tropsh (diesel e

gasolina) via processos de síntese a partir do syngas

Fonte: Elaboração própria, 2005

Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1a

geração – O álcool combustível na Agroindústria Canavieira

Geração de Energia para o Processo

“Velho Conceito”

Modelo Energético do Setor Sucroalcooleiro no Brasil da década de 80

Produção deEtanol

Energia (para o Processo

de fabricação)

Produção de Açúcar

até 40% da E.E. consumida em processo era importada

Bases do modelo:

Dependência • Auto-suficiência em energia térmica...

• Deficiência de energia elétrica... Energética

Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1a

geração – O álcool combustível na Agroindústria CanavieiraModelo de Produção de Bio-energia baseado em um Novo

Conceito de Geração

Produção de Energia em Larga Escala

“Novo Conceito”

Produção deEtanol

Energia e Excedentes de

Energia Elétrica

Excedente de Bagaço de

cana

Bases do modelo:

• Otimização energética dos atuais processos produtivos – ganhos potenciais...

• Adoção de novas e avançadas tecnologias de produção de energia e materiais (Bio-refinarias)

Produção de Açúcar Otimização

Palha de cana

Recuperaçãoeconômica

HidróliseCiclos convencionais/BIG-GT/CC

Syngas para combustíveis líquidos

Ciclos convencionais ou Processos pirólise/gaseificação

Exportação de

Excedentes de EE

ETANOL - PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS

• USO COMERCIAL:AÇÚCARES: Cana-de-Açúcar (caldo e

melaço)

Beterraba

Amidos: Milho e trigo

• FUTURO (etanol de 2ª geração):MATERIAL LIGNOCELULÓSICO: Bagaço e palha de cana, outros..

ETANOL - PROCESSOS PRODUTIVOS

• PLATAFORMA DE AÇÚCARES –FERMENTAÇÃO: Cana-de-Açúcar (caldo e melaço), beterraba..

• PLATAFORMA DE AMIDOS - SACARIFICAÇÃO E FERMENTAÇÃO: Amidos: Milho e trigo

• PLATAFORMA BIOQUÍMICA – (Etanol de 2ª geração) – PRE-TRATAMENTO, HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO: Bagaço e palha de cana, outros..

O Setor Canavieiro Nacional

Característica da cultura.

Evolução da produção brasileira de cana-de-açúcar.

Fonte: MAPA, 2007

O Setor Canavieiro NacionalEvolução da área de produção e da produtividade brasileira de cana-de-açúcar.

7,64 M ha – A. Plantada 6,19 M ha – A. Colhida 458 M ton – Cana 74 ton/ha – R. Médio

Destinação dos ATR da cana para a produção de açúcar e álcool

Fonte: MAPA, 2007

Expansão da produção sucroalcooleira nacional

Localização das usinas no BrasilFonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006)

Expansão “não-induzida”:100% Centro-Sul (60% em SP)

Usinas de capacidade média de 1 M litros de álcool/d (12 mil tcana/d)

Caldeiras com parâmetros do vapor (≥ 65 bar)

Novas usinas

Concentração:N-NE: Zona da Mata Centro-Sul: São Paulo

851 Mha

Expansão da produção sucroalcooleira nacional

ÓtimoBomMédioImpróprio

Bacia AmazônicaPantanalMata Atlântica

Potencial de produção de cana-de-açúcar

com irrigação

Potencial de produção de cana-de-açúcar

sem irrigação

Fonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006

Tecnologias para vetores bioenergéticos líquidos de 1a geração (etanol combustível)

Mixed Juice - Sugar460kgSO2

<1kgLime<1kg

Phosphoric Acid< 1kgWater23kg

Steam280kg

Cooling Water900kg

Dillution Water3kg

Vapor33kg

Cooling WaterSteam

3kg

Juice treatmentfor sugar

Treated Juice458kg

Evaporation

Syrap for sugar73kg

BoilingCristallization

Drying

Sugar55kg

Filter Cake27kg

Vapor Condensate60kg

Syrap for Ethanol

Vapor Condensate 170kgVapor163kg

Steam Condensate230kg

Waste Water921kg

Molasse10kg

Condensate2kg

3

4

Vapor Condensate33kg

Waste Water

Vapor60kg

3

Mixed Juice - Sugar540kg

Water 27kg

Vapor70kg

Juice treatmentfor ethanol

Filter Cake47kg

Vapor Condensate70kg4

Treated Juice520kg

Must561kg

Steam 217kg

Distillation

Hydrous Ethanol25kg/25 l

2nd Ethanol2kg

Fusel Oil<1kg

Vinasse540kg/490 lCondensate

180kgWaste Water

Fermentation

Wine 619kg

CoollingWater

Anhydrous Ethanol19kg/24 l

Clean Cane1000kg

Water: 65-75%Sugars: 12-18%Fibers: 1-2%

1

Water 5000kg

EmbibitionWater300kg

CaneWashing

Milling

Mixed Juice1.020kg

WasteWater

5000kg

Bagasse280kg

Regis L.V.Leal, 2005

Tecnologia

Convencional

Álcool dos açúcares da cana de açúcar

Custos de produção:

~R$ 0,52~R$ 0,89

Álcool dos açúcares da cana de açúcar

Sustentabilidade e Renovabilidade Energética:

Matéria prima Energia Produzida/Energia Consumida

Trigo 1.2

Milho (EUA) 1.3 – 1.8

Beterraba (UE) 1.9

CanaCana--dede--aaçúçúcar (Brasil)car (Brasil) 8.38.3

Gasolina 0.83

Eficiência Energética : GANHO DE COMPETITIVIDADE

Fonte: Macedo, I., 2004; NREL, 2002

Plataformas de conversão para vetores bioenergéticos de 1a, 2a e 3a geração

Fonte: SILVA-LORA, E., 2004

Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2a e 3a geração e produtos químicos

Produtos• Hidrogeno• Álcoois• Gasolina FT• Diesel FT• Olefinas• Oxoquímicos• Amoníaco • SNG

• Hidrogeno• Olefinas•Aceites• Químicos especiais

• Hidrogeno• Metano• Aceites• Outros

Biomassa

gasificação limpeza sínteses

Pirólise purificação Conversão e coleção

Outras conversações* Separação purificação

* Processos de hidrotratamento: Liquefação e outros

Fonte: DOE, 2004

Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2a e 3a geração e produtos químicos-

Rota da pirólise e a gaseificação combinada

Fonte: DOE, 2004

Biocombustíveis de 1ª e 2a geração

Processo

Produto

Grupo

Fermentação/

Esterificação

Bioetanol

Biogás

Biodiesel

GTL

(Gas to liquid)

SynFuel

Diesel sintético

fóssil

CTL

(Coal to liquid)

Synfuel

Diesel sintético

fóssil

BTL

(Biomassto liquid)

SunFuel

Diesel sintético

renovável

BiocombustíveisConvencionais

Combustíveis sintéticos

1a geração de biocombustíveis

2a geração de biocombustíveis

Fonte:VOLKSWAGEN AG, Group Research, Powertrain

Gás Sintético e de Syngas - Conceitos

Gás Sintético:

Mistura trifásica e multicomponentes: CO, H2, CH4, N2, H2O, Hidrocarbonetos C2 e C3, outros compostos gasosos; particulados de charcoal e cinzas, e alcatrão na fase de aerossol.

Syngas:Mistura monofásica (gasosa) e multicomponentes com exigências técnicas dependendo do uso final. O modeloteórico de syngas gerado para a síntese de combustíveis e produtos químicos é basicamente formado por uma mistura de H2 e CO (H2/CO=2).

Geração de gás sintético – Modelos típicos de gaseificadores para biomassa

Leito Fixo

Contracorrente

Leito Fluidizado

Borbulhante

Leito Arraste

Co-corrente Circulante

Pressurizado e não pressurizadoAutotérmico e alotérmico

Com Ar ou oxigênio

Fonte: CHOREN, 2006

Composição do gás sintético em função do tipo de gaseificador

Algumas Tecnologias

LFB LFC Leito FixoFERCO MTCRange Range Purox Shell

Vários Vários Madeira Carvão

23,4 24

67

4

3

0,02

0

1

0

0,04

1

0,36

9,51

39,1

24,4

-

5,47

-

0,05

-

-

-

0,6

-

43,3

9,22

28,1

5,57

4,73

-

0,08

0

0

0

4,6

16,7

14,9

46,5

14,6

-

17,8

-

-

0

0

0

0,3

18

7 a 20

9 a 27

11 a 16

10 a 14

< 9

< 1

-0

0

0

46 a 52

0,6 a 1

4 a 7,5

5 a 26

13 a 27

9

< 18

3 a 11

< 0,11

- 0

< 0,2

0

13 a 56

0,2

4 a 13

Combustível

H2

Combustível

CO2

H2O

CH4

Alcatrão

H2S

O2

NH3

N2

Relação H2/CO

Poder Calorífico (MJ/Nm3)

Fonte: NREL, 2004

Parâmetros de operação e eficiência em projetos demonstrativos de gaseificação de biomassa

Fonte: (NOGUEIRA e SILVA-LORA, 2003)

Empresa Agente de gaseificação

Capacidade (MWt)

Pressão (MPa)

Temp. do leito (°C)

PCI gás (MJ/Nm3)

Eficiência do

gaseificador (%)

Alhstrom/Bioflow

Ar 18 2,4 950-1000 5,0 82-83

TPS Ar 65 0,18 890-920 6,2 77

Lurgi Ar 16 0,10 800 5,8 -

IGT/Renugas

Ar + vapor 20 2,07 830 4,3-4,8 -

BCL Ar + vapor 40 0,2 830 15,6 75-80

Omnifuela Ar 23 0,1 760 4,99 -

a=leito fluidizado convencional

Critérios para processos de produção de Syngas a partir de biomassa – Gaseificação e Purificação do gás

Qualidade do gás

Teor de hidrocarbonetos (Metano, alcatrão, outros) no gás bruto.

Relação H2/CO

Impurezas

Eficiência a frio do gás.

Flexibilidade dos insumos.

Pressão de operação.

Maior potência por unidade / economia de escala

Investimentos em capital e custos de operação

Principais considerações tecnológicas para processos BTL

Fonte: CHOREN, 2006

Porque Syngas de Biomassa?

Biomassa

Produção de gás de síntese a partir de

biomassa

Síntese de combustíveis

Líquidos

Síntese de Fischer-Tropsch

Combustíveis para o mercado existente

Rotas de aplicações para o Syngas

Células combustíveis

MTBECO + H2

Fischer-Tropsch

GasolinaDieselProdutos químicos

H2H2O

WGS

(SNG)Gás Natural Sintético

Gás médio poder calorífico

Metanol(DME)

Isobuteno

Zeólita

Gasolina

Combustíveis Fischer-Tropsch baseados na biomassa - Custos

Componentes do custo

TIJMENSEN (2000)

MITRE(1996)

NOVEM (2000)

Biomassa (ton/dia)

1920 2000 1358

Custo da biomassa, US$

2/GJ38/ton seca

2.45/GJ46/ton seca

3/GJ55/ton seca

Preço da eletricidade, US$

0.057/kWh 0.05/kWh 0.067/kWh

Preço do produto (sem custo de distribuição e taxas), US$

13-30/GJ1.8-4.1/galão

8-14/GJ1.1-1.9/galão

9-13/GJ1.2-1.8/galão

Hidrogênio baseado na biomassa - Custos

Componentes do custo

HAMELINK (2001)

LARSON (1992)

SPATH (2000)

Custo anual 2001 1991 2000

Biomassa (ton/dia)

1920 1650 300-1500(3 plantas)

Custo da biomassa, US$

2/GJ34/ton seca

2/GJ34/ton seca

2.7/GJ46.2/ton seca

Preço eletricidade,

US$

0.03/kWh 0.05/kWh 0.05/kWh

Produçao de H2 (ton/dia)

91-184 134-188 23-114

Preço do H2, US$

8-11/GJ 7-12/GJ 14-21/GJ

Hidrogênio em função do insumo utilizado -Custos

Fonte IEA(1999)

IEA(2001)

McKinley(1990)

BritishGovernment

(1999)

GregoirePadró(1999)

Amick(2003)

Gás natural

US$ 5-6/GJ

US$4,4-

7,5/GJ

US$ 7/GJ US$ 5-7/GJ US$5,97-

7,46/GJ

-

Carvão US$10/GJ

US$10-

12/GJ

US$15/GJ

US$ 10,3/GJ US$9,87-

19,3/GJ

US$ 9-10/GJ

Biomassa - US$12-

13/GJ

US$ 7/GJ - US$8,69-

17,1/GJ

-

Vetor evolutivo das fontes de combustíveis

Evolução dos combustíveis

Gasolina/DieselBaseado no petróleo

SynFuelGTL-Baseado no gás natural CTL-Baseado no carvão

mineral

SunFuel ®BTL-Baseado nos recursos renováveis

HidrogênioBaseado nos recursos renováveis

Fonte: CHOREN, 2006

Cenário de produção de biocombustíveis líquidos de 1ª e 2ª geração –Visão de mercado

Fonte: Elaboração própria, 2005

Custo de Redução de CO2

Fonte: Biofuels for Transport, IEA 2004

O Processo Carbo-V® para syngas - Tecnologia CHOREN

Baixa temperatura –Gaseificador (NTV)

Biomassa

Gás de pirólise

Charcoal

Oxigênio/Vapor

Carbo V ® -Gasificador Uso do

Gás

Gás bruto (Livre dealcatrão)

Condicionamento do Gás

Trocador de Calor

Purificação

Charcoal/Cinza

Vapor

Syngas

Gás ScrubberEscória

Vitrificada

Fonte: Rudloff, Choren Industries, 2005

Tecnologia CHOREN para o Processo Fischer-Tropsch

Gaseificação de três fases

Tratamento do gás

Fischer-Tropsch & Hidrocracking

Fonte: CHOREN, 2006

Estratégias de direção em geração de bioenergia e biomateriais – Conceito de bio-refinaria na Usina

Sucroalcooleira

Fonte: DOE, 2004

Considerações Finais

Elevados potenciais e custos competitivos na produção de etanol combustível no Brasil pela plataforma de açúcar e tecnologia convencional;

Prioridades e atrativos para o desenvolvimento de novos conceitos em geração de bioenergia no setor sucroalcooleiro nacional;

Avanços na gaseificação de biomassa para a produção de syngas;

Novos conceitos em produção integrada otimizada –Biorefinarias;

Minimização dos investimentos de escala

OBRIGADO PELA ATENÇÃO..

Prof. Edgardo Olivares GómezUniversidade Federal de Itajubá – UNIFEINEST-Núcleo de Excelência em Geração

Termelétrica e Distribuída

egomez@unifei.edu.br