aproveitamento da biomassa da cana para a produção de energia gaseificação de biomassa por fluxo...
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Aproveitamento da Biomassa da Cana para a Produção de Energia
Fernando JG Landgraf
Diretor de Inovação do IPT
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Instituição centenária, vinculada ao Governo do Estado de São Paulo.
Provê soluções tecnológicas para empresas e instituições públicas e privadas.
Em 2011 teve faturamento anual de R$88 milhões.
Agroindústria é parceiro importante.
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Vemos biomassa como grande oportunidade
Em 2010,
A safra de cana
produziu 120 Mt
de bagaço e palha
secos.
Em 2011 faltou
bagaço.
Como estaremos em 2020?
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As oportunidades
Uma usina sucroalcooleira de 4Mt cana tem que lidar com 800.000 t biomassa seca/ano.
Já existem usos bem estabelecidos, mas é importante avaliar alternativas para as novas usinas:
Rota bioquímica para produzir etanol a partir do bagaço: a hidrólise enzimática e
Rota termoquímica para produzir gás e dele energia elétrica, vapor, biocombustíveis e monômeros.
• Essas duas rotas concorrem na pesquisa, mas podem vir a ser usadas conjuntamente
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DoE Biomass Multiyear Program
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IPT atua nas duas: Tem projetos de hidrólise enzimática
Tem projetos de gaseificação
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Google Scholar mostra a competição (outubro de 2011)
Enzymatic hydrolysis
Biomass gasification
Desde 2006 Todas páginas 62.000 16300
Em portugues 9.400 813
Brasil tem investido muito mais na hidrólise enzimática do que na gaseificação. Não confundir gaseificação com biogas (de biodigestor)
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Processamentos da biomassa
Processos bioquímicos
Processos termoquímicos
Combustão total
Torrefação (240oC)
Pirólise rápida (400o C)
Carvoejamento (500o C)
Gaseificação a 900oC • Leito fixo ou leito fluidizado
Gaseificação a 1200o C (fluxo de arraste)
Em cada um desses, Dezenas de alternativas
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O que é a gaseificação de biomassa
É queimar o bagaço e a palha com pouco oxigênio,
de forma autotérmica
de maneira a obter um gás
contendo principalmente CO + H2.
Esse gás é reativo,
Pode ser queimado numa turbina para gerar EE
Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em
• Biocombustíveis: biodiesel, metanol, etc
• Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio.
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Alternativas tecnológicas da gaseificação dependem da alimentação
Se for líquido ou pó fino: Num maçarico
confinado
Se for sólido:
Numa cama de areia
Fluxo
de
arraste
Leito fluidizado (modelo Siemens) 11
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Principais processos de gaseificação
Escolha depende de:
Qual a escala mais adequada?
Quais os produtos desejados?
150 kt/ano 1500 kt/ano 12
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A aposta do IPT: a gaseificação por fluxo de arraste
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Razões da escolha
Maior versatilidade de produtos: vapor, energia elétrica, gás, biocombustíveis, monômeros.
Gás exige menos limpeza do que o leito fluidizado, por não ter alcatrão.
GFA pode processar todo bagaço e palha de uma usina de 4Mtpa: 800.000t/ano.
Tem potencial de viabilidade econômica em grande escala.
Processo é comercial, pelo menos para carvão mineral.
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Haverá bagaço e palha para isso?
Só nos “green fields”, nas novas usinas.
Como o desenvolvimento das tecnologias só maturará em 7-10 anos, falamos de 2020.
Mas quanto crescerá o setor?
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Crescimento da colheita brasileira de cana
0
100
200
300
400
500
600
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Co
lhe
ita
can
a (M
t/an
o)
ano
5% a.a. colheita de cana (dados Unica)
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Tomando uma perspectiva longa, taxa de crescimento anual média é 5%
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Potencial para plantas de gaseificação na década de 2020: as novas usinas
550 Mt em 10 anos 140 novas usinas
5%a.a.
UNICA
BNDES
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140 novas usinas é um bom universo a ser atacado pela nova tecnologia
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Situação Atual de Gaseificação de Biomassa
Inexiste uma planta comercial de gaseificação de biomassa no mundo Várias plantas pilotos sem continuidade
Desafios tecnológicos
China: investimentos em plantas de gaseificação de carvão Tecnologias importadas
As plantas de gaseificação exigem altos investimentos Economia de escala é relevante
Desafios em financiamento de projetos de P&D e de implantação comercial
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Plantas piloto de GFA de biomassa no mundo
Projeto Chemrec, Suécia
Projeto Choren, Alemanha 65.000t madeira/ano
Projeto BioTfuel, França
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ROTA TERMOQUÍMICA DO CARVÃO
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Plantas em construção na China
Shenhua Shell 1Mt carvão/ano oil products
Shenhua GE 600kt carvão/ano PP+PE
Shenhua Siemens 500 kt carvão /ano PP
GE
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Quando podemos começar?
Gaseificar carvão é comercial,
Biomassa é o desafio:
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Alguns Desafios Tecnológicos da Gaseificação de Bagaço
Desenvolvimento de novos processos de pré-tratamento de bagaço com reduzido consumo de energia Materiais resistentes ao desgaste abrasivo
Melhorar a confiabilidade operacional de gaseificador Refratários
Sistema de alimentação
Controle da remoção de cinzas
Desenvolver catalizadores para otimizar a produção de biocombustíveis e outros produtos em grande escala a partir de syngas
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EVTE de Planta de 323 MWth (400 mil ton de bagaço/palha seca e 8 meses de safra)
Etapas Investimento em
equipamentos (M US$2011)
Pretratamento 30
Gaseificação 40 - 75
Limpeza e condicionamento de
gás 40 - 75
Unidade FT (Fischer Tropsch) 50 - 80
ASU (Air separation unit) 30 - 75
Unidade termoelétrica de geração 50
TCI (Total Capital Investment): Equipamento + outside battery limits 400 a 700 M US$2011
Fontes: Boerrigter (2006); Faaij (2006); Swanson et al. (2010)
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Parâmetros Técnicos do EVTE
Eficiência energética (diesel FT/bagaço seco) de longo prazo: 55% (Faaij, 2006)
Long term capital investment costs do Faaij (2006): 540 Euro/KWth input capacity
PCI do bagaço seco: 17 GJ/ton
PCI de diesel (FT fuel): 41 GJ/m3
Fator de escala recomendado por Boerrigter (2006)
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Parâmetros Econômicos do EVTE
Vida econômica da planta 10 anos
Imposto brasileiro para biocombustível: 20%
Custo de distribuição e marketing de combustível: 7% do preço de combustível
Duração da safra: 8 meses
Custos de operação & manutenção anual / Total Capital Investment = 0,04
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Planta de Gaseificação (323 MWth) Produção de FT Fuel: VPL e ROI
Custo de bagaço (US$/ton)
Taxa de desconto
TCI (M US$2010)
Preço de combustivel Brasil 2020-2030 (US$/litro)
30 0,08 388
50 0,10 487 1,48
70 0,12 647 2,11
CENÁRIOS DOS PARÂMETROS
VPL (M US$) ROI
Cenário otimista 358 185%
Cenário esperado 41 20%
Cenário pessimista -53 -23%
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Promessas demais no mercado
No mundo, dezenas de empresas oferecem sistemas de torrefação, de pirólise e mesmo de gaseificação
Poucas tem dados técnicos esclarecedores a mostrar, difícil confiar. Rendimento energético!
Pouquíssimas tem plantas em operação contínua.
Muitas operaram apenas dias ou poucos meses, e estão “vendendo” tecnologia.
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Oportunidade: Projeto Biosyngas Construir e operar uma usina piloto de gaseificação de biomassa por fluxo de arraste, focada em bagaço de cana de açúcar, de forma a adquirir o conhecimento necessário para projetar uma usina industrial com Capex de US360M, para 400.000t/ano
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Tecnologia escolhida de Gaseificação
Gaseificação por fluxo de arraste Capacidade de 500kg de biomassa / hora
Gaseificador “flex”: pó ou óleo como insumo
Com oxigênio
Recuperação de calor
Tmax = 1300°C
Especificações do gás de síntese: 80% de CO+H2
< 0,5% CH4
<1g alcatrão / Nm3
< 0,5% N2
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Gargalos tecnológicos mais relevantes
1. Sistemas de secagem da biomassa
2. Sistemas de pré-tratamento de biomassa Torrefação
Pirólise rápida
3. Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação.
4. Sistema de alimentação do combustível;
5. Revestimento da câmara de gaseificação;
6. Utilização ou não de recuperador de calor;
7. Sistema de remoção de cinzas;
8. Sistemas de monitoramento, controle e segurança.
9. Sistemas de limpeza de gases
10. Sustentabilidade ambiental
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Ponto crítico: as cinzas da biomassa
Como remover continuamente as cinzas de dentro do gaseificador?
Qual o teor de cinzas da biomassa?
Quanto é “cinza botânica” e quanto é “terra”?
Que variáveis afetam “cinza botânica”? E a “terra”?
Projeto temático sendo estruturado pela Esalq
participam Poli-USP, Unicamp, IPT. Há vagas...
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Parceiros
Parceiros
Financiamento
Apoio
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Fluxograma do processo Secagem
Torrefação
Pirólise Gaseificação
SHIFT Limpeza Syngas
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Oxigênio 0,4 - 0,7 t/h
Água
(Syngas)
0,25-0,35 t/h
CO + H2 Bagaço
úmido (50 %)
0,35 - 0,45 t/h
1,1 - 1,3 t/h
CO2 0,2 – 0,3 t/h
BME
[H2/CO 2:1]
~100 kW*
* Não contabilizados energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise
Água em recirculação no sistema 30 m³/h Make-up de água 2 m³/h Consumo de GLP 45 kg /t bagaço (dados torrefação)
Balanço de massa
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LOCAL
Planta Piloto de Piracicaba
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Planta Piloto: Piracicaba / Estado de São Paulo
Esalq CTC
Dedini
Cosan
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Licença de Instalação - Emitida
Resultado da Consulta Nº da SD - 21016661
Data da SD - 24/11/2011
Razão Social - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO S.A. IPT Logradouro - RODOVIA LAÉRCIO CORTE - SP 147 Nº Complemento - KM 142+50 METROS
Bairro - VILA AREIÃO
Município - PIRACICABA
CNPJ- Nº do Processo - 21/01456/11 Objeto da Solicitação -LICENÇA PRÉVIA E DE INSTALAÇÃO
Nº Documento -21000905
Situação - Emitida Desde 07/02/2012
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Cronograma proposto PROJETO BIOSYNGAS - CRONOGRAMA FÍSICO
2011 2012 2013 2014 2015 2016
1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2°
Gerenciamento técnico do projeto
Definição de termos de PI
Definição de regras de governança
Assinatura de contratos
Projeto Conceitual
Projeto básico
Projeto executivo da Planta Piloto
Implantação do sistema de pré-tratamento
Implantação do sistema de limpeza de gases
Utilidades
Central de Instrumentação e Controle
Obras civis da planta piloto
Construção do gaseificador
Acoplamento dos Equipamentos
Testes a frio
Testes a quente
Testes de longa duração (3.000 h não contínuas)
Estudos viabilidade econômica
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Orçamento
ITENS VALOR (R$ Milhões)
Equipamentos 38.2
Instalações 3.6
Despesas com Viagens 1.2
Materiais de consumo 3.3
Recursos humanos (IPT, CTC, companies) 11.4
Serviços de terceiros 20.4
Custos administrativos 2.9
Contingências 5.7
TOTAL 86.8
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Quer saber mais? Save the date
Coloquem na sua agenda: 17/09/2012
Workshop sobre Gaseificação de Biomassa
Na Fapesp, em S. Paulo
Organizado pelo IPT,
Parte das comemorações de 50 anos da Fapesp.
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Evento: C&T de Gaseificação
Objetivos: Definir temas de P&D em gaseificação de bagaço
Promover P&D em gaseificação na comunidade de C&T no ESP
Público alvo: academia e indústria de equipamentos
Palestrantes convidados: Acadêmicos nacionais e do exterior (Europa, EUA e China)
Pesquisadores industriais (fabricantes de gaseificadores de biomassa e carvão)
Gestores de plantas pilotos do exterior
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palestrantes Palestra Palestrante e Instituição
Relevância da rota termoquímica no BIOEN Glaucia Mendes Souza, Fapesp
Programa Biosyngas do IPT Fernando Landgraf, IPT
Perspectivas de sustentabilidade de etanol no Brasil Luiz A. Horta Nogueira, Universidade Federal de Itajubá
IKFT’s experience in the development of pyrolysis technologies
Eckhard Dinjus, Karlsruhe Institute of Technology
Development of low temperature thermal conversion in the sugar industry
Phil Hobson, Queensland Univ. of Technology
Development of an opposed multi-burner gasification technology
Zhijie Zhou, East China University of Science and Technology
ETC’s experience in the development of biomass gasification process
Rikard Gebart, Energy Technology Centre (ETC)
TPS’s experience in the development and operation of biomass gasification plant
Lars Walheim, Waldheim Consulting
TU Bergakademie’s experience in the development of pilot gasification plant
Bernd Meyer, TU Bergakademie Freiberg
Uhde’s experience in the design and operation of pilot gasification plant
Norbert Ullrich, ThyssenKrupp Uhde GmbH 43
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Tel: +55 11 3767-4466
Contatos:
Dr. Fernando Landgraf Diretor de inovação - IPT
+55 (11) 3767-4466
Dr. Gerhard Ett Gerente de Gaseificação - IPT
+55 (11) 3767-4455
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