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Jorge L. Colodette

colodett@ufv.br

www.lcp.ufv.br

UFV

VIÇOSA, MG

18 de setembro de 2012

Laboratório de Celulose e Papel

Departamento de Engenharia Florestal

Universidade Federal de Viçosa

Biorrefinaria da madeira – o novo foco da pesquisa em celulose e papel

SUMÁRIO

• Energia no Brasil e no Mundo • O conceito de biorrefinaria • Matérias primas • Processos

– As rotas termoquímica e bioquímica

• Produtos – Combustíveis – Produtos químicos – Materiais

Energia no Brasil e no Mundo

Consumo de Energia per Capita (2009)

Fonte: The Outlook for Energy: A View to 2040 (2012)

Previsões sobre a Demanda Global por Tipo de Combustível

Histórico do Uso da Biomassa na Geração de Energia

Fonte: IIASA (1998) e UN. EIA (2002)

Evolução da Estrutura Interna Brasileira da Oferta de

Energia

Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

O Moderno Conceito de Biorrefinaria

Biorrefinaria é a integração de conversão de biomassa, processos e

equipamentos para produzir combustíveis, energia, e produtos

químicos

Refinaria vs. Biorrefinaria

Fonte: Status Report Biorefinery (2007)

REFINARIA BIORREFINARIA

Conceitos

Biorrefinagem: É o processamento da biomassa em uma gama de produtos comerciais e energia, de maneira sustentável Biorrefinaria: É uma unidade industrial que integra equipamentos e processos de conversão de biomassa, para produzir combustíveis, energia, materiais e produtos químicos

O Modelo da Petroquímica

• 42% do valor do petróleo resulta da conversão de apenas 4% dessa matéria-prima em produtos químicos, borracha, plásticos, polímeros em geral, etc.

• Dos 96% restantes, 70% é convertido em combustíveis líquidos gerando outros 43% do valor do petróleo.

• Os outros 26% são usados para gerar óleo combustível, asfalto, óleos para aquecimento, betume e outros produtos de baixo valor agregado, produzindo os restantes 15% do valor total do petróleo.

O Modelo da Petroquímica

• Sozinha, a venda de gasolina, óleo diesel, querosene de aviação, etc. não é suficiente para garantir lucratividade, mas é vital para assegurar a lucratividade da refinaria de petróleo.

• Similarmente, calor, energia e biocombustíveis não devem ser vistos como garantia de lucratividade de uma biorrefinaria; existe a necessidade de se ter produtos de alto valor agregado obtidos de pequenas quantidades de biomassa.

Porque a Indústria de Polpa Celulósica?

• Tem grande experiência nas operações de produção, colheita, transporte e armazenamento de grandes volumes de biomassa;

• Tem experiência e infra estrutura para processamento químico de biomassa, dentro de padrões e normas internacionais;

• Está localizada em áreas rurais e pode obter importantes sinergias entre madeira e resíduos da agricultura (gramíneas);

A indústria de Celulose como Biorrefinaria?

Borregaard Biorefinery - Sarpsborg (Norway)

De uma Indústria de Celulose para uma Biorrefinaria

Integrada

Matérias Primas

Ocupação Territorial Brasileira

Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

1/ Considerou-se na conversão 1 bep = 5,95 GJ;

2/ Licor negro com concentração entre 75 e 80% de resíduos sólidos

3/ Resíduos de madeira da indústria de celulose: Lenha, cavaco e cascas de árvore;

4/ Diferença entre a quantificação teórica da produção potencial nas áreas ocupadas pela silvicultura e o consumo de madeira

em tora para uso industrial oriundo de florestas plantadas.

Oferta de Biomassa no Brasil em 2009

Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

Expansão da Produção Brasileira de Cana-de-Açúcar e

Derivados

Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

Madeira não compete com a cadeia alimentar;

Madeira pode ser altamente produtiva:

→ 1ha de madeira produz 9500 L de etanol

→ 1 há de milho produz 3400 L de etanol

→ 1 ha de cana produz 8000 L de etanol

(desconsiderando palha e bagaço)

A madeira é mais eficiente quanto a emissão de

gases de efeito estufa (usa menos combustíveis

fósseis na produção e processamento).

Madeira versus não-madeira ?

Madeira versus não-madeira?

Armazenamento no tronco (“living inventory) Baixo custo de armazenamento

Baixa perda por degradação

Colheita durante todo o ano Menor infra estrutura e capital para colheita e transporte

Rotação multianual Menor área plantada por ano

Períodos longos com pouco distúrbios na plantação (fertilização, irrigação, colheita, etc.) - menor impacto ambiental

Mercado bem estabelecido

Sistema de produção sustentável bem estabelecido

Sistema de colheita e transporte muito desenvolvido

Classificação das biorrefinarias

quanto a matéria-prima

Biorrefinarias Verdes: principalmente gramíneas – ex:

cana-de-açúcar, sorgo sacarínico, etc.);

Biorrefinarias de Cereais: cereais tais como trigo, arroz,

centeio, cevada, milho, etc.;

Biorrefinarias de Lignocelulósicos: fracionamento de

biomassas lignocelulósicas (celulose, hemiceluloses e

ligninas);

Biorrefinarias Marinhas: Macro e microalgas capazes de

acumular significante quantidades de bio-produtos (óleos,

carboidratos, amido, proteínas, etc.).

Consumo de Energia- Comparação de Biomassas

Biorrefinarias Considerações Finais

Composição Química da Biomassa de Lignocelulose

15- 30 %

30- 50 %

10- 25 %

Processos de Biorrefinaria

Duas Importantes Plataformas para

Conversão da Biomassa

Hidrólise do Amido Fermentação

de Açúcares

Glicose

Amido

• Etanol • Químicos

Açúcares Fermentaveis

Conversão Termo-Química Biomassa

Lignocelulósica

Resíduo de Lignina

Açúcares C5

Açúcares C6

Pre-tratamentos

Hidrólise da Celulose

• Calor e eletricidade • Combustíveis/químicos

Bio-óleo Syn Gas

Rota Bioquímica para Produção de Etanol

Biomassa

Etanol

Enzimas

Pré-tratamento Fermentação Hidrólise

Enzimática

Destilação

Lignina

Vapor Calor e

Energia

Geração de Energia

Aumento da área

de Superfície

Quebra de

polisacaríedeos

em açúcares

Conversão

de açúcares

em etanol

Levedura

Biocombustíveis Processos de Conversão Térmicos

Decomposição térmica na ausência de oxigênio.

É sempre a primeira etapa nos processos de combustão e gasificação.

Tecnologia conhecida na produção do carvão.

Biocombustíveis Fast Pyrolysis

Biocombustíveis Bio-óleo

Aplicações do Bio-óleo:

Produtos da Biorrefinaria

Classes de Produtos da Biorrefinaria

• Sólidos (Coque, lignina, bagaço)

• Líquido (Etanol, metanol, óleo combustível)

• Gasoso (gás de síntese, metano, Hidrogênio) Biocombustíveis

• Carvão ativado, aditivos de combustíveis, fenóis e furfural,óleos e ácido acético, surfactantes, agroquímicos.

Bioquímicos

• Óleos, pigmentos e tintas, vernizes, detergentes e desifetantes, adesivos industriais, biopolímeros e filmes, materiais compostos

Biomateriais

Geração Matéria-Prima Produtos

Primeira Geração Açúcar, amido, óleo

vegetal, ou gordura

animal

Bioetanol, óleo vegetal,

biodiesel, biosyngas,

biogas

Segunda Geração Plantações não-

alimentos, palha de

trigo, milho, madeira,

lixo sólido, plantações

para fins energéticos

Bioetanol, bio-óleo, bio-

DME, bio-hidrogênio,

Bio-Fischer-Tropsch

diesel

Terceira Geração

Algas Óleo vegetal, biodiesel

Quarta Geração Óleo vegetal, biodiesel Bio-gasolina

Classificação Quanto à Geração

Biocombustíveis – Algumas Observações

Primeira geração: →Principalmente amido e sacarose como matéria prima

→Capacidade de ser misturado com combustível derivados

do petróleo, combustão nos motores existentes, pode ser

distribuído na infraestrutura existente e ser usado em

veículos FFV (Flexible Fuel Vehicle).

→Preocupação sobre impacto ambiental e balanço de

carbono

→Principal desvantagem: Debate alimentos vs combustível

(aumento de preço dos alimentos)

Segunda geração: →Materiais lignocelulósicos como matéria-prima

→Não compete com alimentos (?)

→Baixo custo e abundante

→Atualmente não-rentável devido à um número de

barreiras técnicas.

Biocombustíveis Ethanol

Biocombustíveis Ethanol

Biocombustíveis Ethanol

Produção Biodiesel Mundial

Biocombustíveis Biodiesel

Fonte: OECD-FAO (2008)

Biocombustíveis Biodiesel

Fonte: ANP (2011)

Matérias-Prima Utilizadas para Produção de Biodiesel

Oleaginosa Litros por hectare

Babaçu 1.500 a 2.000

dendê/palma 5.500 a 8.000

pinhão manso 3.000 a 3.600

Pequi 2.600 a 3.200

macaúba 3.500 a 4.000

Soja 400 a 650

girassol 800 a 1.000

mamona 400 a 1.000

amendoim 800 a 1.200

Algodão 250 a 500

colza/canola 650 a 1000

Produtividade média por hectare

Biocombustíveis Biodiesel

Biocombustíveis Biodiesel

Produção de Biodiesel

Biocombustíveis Lignina

Fonte: STFI- Packforsk

Produtos da Lignina

Bioquímicos

Biomateriais

Wood-Plastic Composites

Natural Fibre Reinforced Plastics

Desafios da Biorrefinaria

Econômicos e barreiras tecnológicas:

→ Colheita da biomassa, transporte e estocagem

→ Tecnologias de conversão da biomassa, pré-processamento

→ Alto valor, grande volume de co-produtos

Impactos ecológicos e ambientais:

→ Uso da terra

→ Sustentabilidade

→ Biodiversidade

Biorrefinarias Considerações Finais