II WORKSHOP DE GESTÃO DE ENERGIA E RESÍDUOS NA AGROINDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA

PIRASSUNUNGA, BRASIL12 de Junho de 2007

Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Instituto de Engenharia Mecânica – IEM

Núcleo de Excelência em Geração Térmica e Distribuída – NEST

Mateus Henrique Rocha

Avaliação da Eco-Eficiência Ambiental da Vinhaça para diferentes formas de

disposição aplicando ACV

• Variável ambiental: atribuída a qualquer grandeza física, química ou biológica, determinada de forma direta ou indireta e que possui a finalidade de caracterizar o impacto ambiental.

1. Introdução

• Indicador Ambiental: grandeza derivada de uma variável ambiental, visando a quantificação de uma intervenção ambiental específica.

• Índice Ambiental: refere-se à agregação de mais de um indicador ambiental com o objetivo de transformar uma grande quantidade de dados em uma forma mais simples, retendo o significado essencial da informação no uso pretendido deste índice.

1.1 Elaboração do Índice de Impacto Ambiental de um processo

Fonte: Bauer, P. E. (2003)

• Os indicadores ambientais estão associados às intervenções ambientais dos processos: recursos naturais, saúde humana, sistemas ecológicos e efeitos econômicos e sociais.

• Cada um desses grupos é representado por uma categoria de impacto ambiental, sendo cada categoria de impacto associada a, pelo menos, um indicador ambiental.

• Recursos Naturais: recursos renováveis/não-renováveis ou recursos bióticos/abióticos.

• Saúde Humana: Categorias associadas a efeitos deletérios (mutagênicos, carcinogênicos e teratogênicos).

• Sistemas Ecológicos: degradação de sistemas ecológicos ecotoxicidade terrestre, ecotoxicidade aquática (marinha e água doce) e biodiversidade.

• Impactos de caráter local, regional ou global: efeito estufa, depleção da camada de ozônio, eutrofização, acidificação, etc.

• Efeitos econômicos e sociais: aspectos visuais, recreacionais, arquitetônicos e históricos e índices de crescimento econômico como taxa de desemprego, PIB, etc.

• Difícil associação com o processo e suscetíveis a decisões baseadas em juízo de valores.

1.2 Elaboração de um índice de Impacto Ambiental de um processo

Fonte: Bauer, P. E. (2003)

2. Análise do Ciclo de Vida

• Idealizada para quantificação de impactos ambientais associados à produtos ou funções de uso direto pelo ser humano.

• Atualmente esta metodologia tem sido usada para processos produtivos diversos.

• Metodologia ACV é científica, precisa e específica.

• Os métodos derivados da Produção Sustentável e do Desempenho Ambiental são genéricos, aproximados e gerenciais.

2.1 Principais fases associadas ao ciclo de vida de um produto

Fonte: Ferrão, P. C. (1998)

• 1969 – Coca-Cola: comparação de materiais para embalagens, consumo de recursos e geração de emissões.

• 1972 – Ian Boustead: desenvolveu um modelo para determinar os consumos de energia relacionados às embalagens de alumínio, vidro e plástico.

• 1973 – 1º crise do petróleo: busca de fontes alternativas de energia.

• 1985 – diretiva da União Européia sobre controle de embalagens de alimentos.

2.2 Histórico da ACV

• ISO 14.043 – Análise do Ciclo de Vida – Interpretação do Ciclo de Vida.

• 1997 – possibilidade de utilização da ACV para desenvolvimento de novos produtos e definição de políticas públicas.

• ISO 14.040 – Análise do Ciclo de Vida – Princípios e Estrutura.

• ISO 14.041 – Análise do Ciclo de Vida – Definição de objetivo e escopo e análise do inventário.

• ISO 14.042 – Análise do Ciclo de Vida – Avaliação do Impacto do Ciclo de Vida.

• 1990 a 1996 – crescimento e difusão no meio acadêmico.

Iniciativas de ACV UNEP/SETAC

2.3 Como a ACV pode agregar valor ao produto

Aspectos ambientais prioritários

Informação de aspectos ambientais

em projeto e desenvolvimento

Comunicação do desempenho

ambiental

Monitorar o desempenho

ambiental

Monitorar o desempenho do

sistema

ISO 14063Comunicação

ambiental

Série ISO 14020Rótulos e

declarações ambientais

Série 14030Avaliação do desempenho

ambiental

ISO 19011Auditoria de sistemas de gestão ambiental

ISO 14062Projeto para o Meio

Ambiente

Série ISO 14040Avaliação do Ciclo de

Vida

Do

PlanAct

Check

Descrição do desempenho ambiental de

produtos

Melhoria do desempenho ambiental de

produtos

Informação sobre os aspectos

ambientais de produtos

Comunicação do desempenho

ambiental

Descrição do desempenho ambiental de organizações

Informação sobre o desempenho do

sistema de gestão ambiental

Fonte: Ugaya, C. M. L. (2006)

• ISO 14.025 – Rotulagem e declarações ambientais

Fonte: Coltro, L. (2007)

2.4 Etapas de uma ACV

Aplicações diretas:• Desenvolvimento emelhoria do produto• Planejamento estratégico• Elaboração de políticasPúblicas• Marketing

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivoe do escopo

Inte

rpre

taçã

o

Avaliação do Impacto

Análise do Inventário

A definição do objetivo e do escopo consiste no estabelecimento dos limites do estudo de ACV.

2.5 Definição do Objetivo e do Escopo do Estudo

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivo

e escopo

Análise do Inventário

A análise do inventário envolve a coleta de dados e procedimentos de cálculo para quantificar as entradas e saídas de um sistema.

Inte

rpre

taçã

o

Avaliação do Impacto

2.6 Análise do Inventário

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivo

e escopo

Avaliação do impacto

Análise do inventário

Inte

rpre

taçã

o

2.7 Avaliação do impacto

Fonte: NBR-ISO 14041

Caracterização

Fonte: Ferrão, P. C. (1998)

Categorias de Impacto Ecoindicador 99 CML 2000 EDIP TRACIMudança Climática x x x xDestruição da camada de ozônio x x x xAcidificação x x x xEutrofização x x x xEcotoxicidade x xEcotoxidade águas doces x xEcotoxidade marinha x xEcotoxidade terrestre x xToxicidade humana x xCancerígenos x xNão cancerígenos xRespirações orgânicos xRespirações inorgânicos xUso do solo xMinerais xCombustíveis fósseis xExaustão abiótica xUso de recursos xSmog fotoquímico x xÁgua doce xÁgua marinha xRadiação xResíduos sólidos xResíduos perigosos xResíduos radioativos xEscória / cinzas x

Eco-Indicadores e suas considerações

Fonte: Ugaya, C. M. L (2006)

Normalização

Normalização: contribuição parao impacto total

Mudanças Climáticas 0,05%

Acidificação 0,02%

Ponderação

• Deve ser dada importância para cada impacto ambiental

• Caráter subjetivo

• Não pode ser usado sem um exame detalhado em relatórios

Definição de objetivo

e escopo

Avaliação do Impacto

Análise do Inventário

Inte

rpre

taçã

o

2.8 Interpretação

• Análise de sensibilidade• Avaliação de itens importantes:1) Seleção de materiais2) Gestão da cadeia de suprimento3) Estabelecimento da infra-estrutura

para reciclagem

2.9 Iniciativas atuais em ACV no Brasil• Institutos de Pesquisa: USP, UNICAMP, UNB, UFSC, UFBA, UFMG, CEFET-PR, IBICT, ITAL, CETEA, Instituto EKOS e UNIFEI.

3. Setor de Álcool no Brasil

Fonte: Souto, J. J. N. (2007)

Fonte: Souto, J. J. N. (2007)

3.1 Cenários futuros para produção de etanol

Fonte: Rodrigues, R. (2007)

• Grande quantidade de terra agricultável

• Características adequadas do solo

• Condições climáticas favoráveis

Fonte: Hennings O., Zeddies J. (2003)

• Balanço energético do álcool de milho 1:1,5

• Balanço energético do álcool de cana 1:8

3.2 Evolução do consumo no mercado interno

Fonte: Anfavea (2006)

Incremento da produção• Previsão de 30 bilhões de litros de etanol produzidos em 2010.

• Instalação e/ou reativação de 73 destilarias para atendimento da demanda total.

• São estimados 8,5 milhões de automóveis flex em 2020.

Fonte: Unica (2006)

• Em 2010 o total de vinhaça produzida será de 360 milhões de m³.

3.3 Expansão do Setor Sucroalcooleiro

Fonte: Unicamp, CGEE/MCT (2006)

Região Centro-Sul

Fonte: Parra, J. R. P. (2005)

4. Produção e características da vinhaça• Vinhaça é um resíduo obtido na destilação alcoólica a 105 ºC, possui uma coloração cor marrom escuro, de natureza ácida e com cheiro bastante peculiar.

• A composição química da vinhaça é variável e depende do tipo de vinho usado na destilação.

• A vinhaça pode ser caracterizada como fator de poluição dos cursos d´ água.

• Para cada litro de etanol produzido são gerados em média 13 litros de vinhaça.

• A vinhaça corresponde, em média, a 52% em peso de todos os resíduos sólidos produzidos pelas destilarias.

• A vinhaça é classificada como resíduo sólido classe II, ou seja, não inerte e não perigoso com base nas suas características físico-químicas.

4.1 Composição química média da vinhaça

Fonte: Cortez, L. A. B. (2000)

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)

5. Formas de disposição da vinhaça• Retorno à plantação, para substituição total ou parcial dos fertilizantes, constituindo o processo chamado de fertirrigação.

• Fermentação aeróbica, por meio de bactérias ou fungos, objetivando a obtenção de proteína unicelular.

• Fermentação anaeróbica utilizando bactérias metanogênicas, para produção de biogás, constituindo o processo denominado biodigestão anaeróbica.

• Concentração por meio de evaporação para obtenção de ração animal.• Processo de evaporação e concentração da vinhaça para posterior combustão, visando o aproveitamento de energia e recuperação de potássio.

5.1 Fertirrigação

• Pode ser processada por inundação, por sulcos de infiltração, por aspersão com equipamento semifixo e por aspersão através de canhão hidráulico.

• Efeitos da vinhaça sobre a fisiologia da cana: aumento do teor de umidade, redução dos teores de lignina, aumento do fator de acamamento, dos teores de potássio e da vegetação e redução dos níveis de sacarose quando esses são excessivos.

• Efeitos da vinhaça sobre o solo: elevação do pH, redução do alumínio trocável, aumento da matéria-orgânica, micronutrientes e porcentagem de saturação das bases.

• Segundo Gonzalo et. al. (2006), Longo (1994) e Ludovice (1997) amostras do lençol freático submetidas a longos períodos de aplicação apresentaram teores de N, K e condutividade elétrica acima do estabelecido.

Fonte: Luz, P. H. C. (2006)

Fonte: Luz, P. H. C., 2006.Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

Sistema de transporte e distribuição de vinhaça por caminhão tanque

Fonte: Luz, P. H. C. (2006)

Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

5.2 Biodigestão Anaeróbica

• A biodigestão anaeróbica é um processo de degradação da matéria orgânica por microorganismos, resultando na produção de biogás.

• Usos do biogás: produção de frio, calor, potência, automotivo, secagem de leveduras, etc.

• Biogás: 55 a 70% de CH4 e 25 a 45% de CO2 além de outros gases.

• O processo de formação do metano é estritamente anaeróbico, mas o processo global é divido em três fases: acidogênese, intermediário e metanogênico.

5.2 Biodigestão Anaeróbica

• Vantagens da biodigestão: a energia produzida pelo biogás émaior que o consumo requerido pelo sistema, aceita grandes taxas de substâncias orgânicas e o efluente resultante pode ser usado como fertilizante.

• Desvantagens da biodigestão: é um processo lento, possui um longo período para início da operação e o custo de implantação é elevado.

• Reator UASB: possui altos índices de remoção e velocidades volumétricas além de baixos conteúdo de sólidos em suspensão e tempo de retenção hidráulico.

• Tipos de biodigestores: Chinês, Indiano, Fluxo de Pistão ou horizontal, UASB, Filtro anaeróbico de fluxo ascendente e Bifásico.

Esquema do processo global de metanogênese

Esquema de um biodigestor UASB

Fonte: Valdes, A. (2006)

Instalação típica de dois biodigestores UASB

Fonte: Granato, E. F. (2003)

Q = 5.000 m³ Diâmetro = 26,0 m Altura = 4,75 m

Instalação de geração de energia

Fonte: GE Jenbacher Engine Gensets (2007)

• Principais fabricantes: Caterpillar, Wakesha, Duetz, Wartsila, Cooper e Jenbacher.

5.3 Concentração e combustão da vinhaça• Na concentração retira-se água da vinhaça sem perda de sólido, com redução do volume. • A evaporação da água utilizando-se evaporadores de múltiplo efeito é a tecnologia mais difundida e utilizada para concentração do açúcar. • As primeiras unidades de concentração de vinhaça foram instaladas na Áustria em 1942 pela VOLGELBUSCH.• A concentração da vinhaça é uma forma de reduzir os custos com transporte em caminhões-tanque aumentando o raio econômico de aplicação.• Segundo Katz (1979): consumo de vapor 0,27 kg/L, eletricidade 0,0134 kW/L, água de refrigeração 0,013 m³/Lágua evaporada e a vazão de entrada é função do Brix da saída.

Concentração da vinhaça

Fonte: Germek e Feigl (1987)

Fonte: Katz G. M. (1979)

Fonte: Dedini (2006)

Fonte: Dedini (2006)

Combustão da vinhaça

• Vantagens: é a única tecnologia que permite eliminar o potencial poluidor da vinhaça; com recuperação econômica do potássio; aproveitamento do potencial energético.

• Desvantagens: balanço energético negativo, impacto da combustão sobre as tubulações e refratários e altos índices de emissões de poluentes atmosféricos como material particulado, NOx, SOx e CO.

• A idéia de se queimar a vinhaça em caldeira está relacionada com a queima do licor negro na indústria de papel e celulose.

• Para tentar minimizar as incrustações a Praj desenvolveu um novo evaporador denominado Flubex.

Evaporador Flubex

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Vinhaça concentrada (55º Brix)

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Fonte: Dedini (2005) Fonte: Avram, P., et. al. (2006)

6. Análise da Eco-Eficiência Ambiental da vinhaça aplicando ACV

• Número de Destilarias: 7 • Área plantada: 31.472 ha• Produção de cana: 2.796.876 t• Produção de álcool: 504.468 m³• Produção de energia: 95.538 kWFonte: UNICA (2007)

6.1 Fronteira do Sistema

Fonte: Rocha, (2007)

6.1 Suposições admitidas

• Este estudo não vai possuir alocação de dados.

• Tipos de impacto selecionados: EDIP e Ecoindicador 99.

• Unidade funcional: 1 m³ vinhaça disposta.

• Software SimaPro 7.0 banco de dados europeu.

• Categorização dos dados: tempo, área geográfica, tecnologias, representatividade, consistência e incertezas.

• Suposições e limitações: biodigestão e combustão não foram incluídas nesta análise preliminar por falta de dados consistentes, modelo de solo, precipitação.

6.2 Descrição da Usina Padrão

Fonte: Rocha, (2007)

6.3 Cenário para transporte da vinhaça por canais

Fonte: Rocha, (2007)

6.4 Cenário para transporte da vinhaça por caminhões

Fonte: Rocha, (2007)

Fertirrigação por canaisEDIP/Caracterização Ecoindicador 99/Caracterização

EDIP/Pontuação única Ecoindicador 99/Pontuação única

Fertirrigação por caminhõesEDIP/Caracterização

EDIP/Pontuação única

Ecoindicador 99/Caracterização

Ecoindicador 99/Pontuação única

Comparação entre os dois sistemas EDIP/Caracterização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemasEDIP/Normalização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemasEDIP/Pontuação Única

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemasEcoindicador 99/Caracterização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemasEcoindicador 99/Pontuação Única

Fonte: Rocha, (2007)

Conclusões• A ACV é uma ferramenta muito importante para avaliação de impactos ambientais, tanto de produtos quanto de processos produtivos, desde que usada corretamente.

• Para fertirrigação com transporte por canais tanto o EDIP quanto o Ecoindicador 99 registraram um alto índice de ecotoxicidade, o que sugere que a fertirrigação a longo prazo pode provocar danos ao solo e ao lençol freático.

• Para a fertirrigação com transporte por caminhões dois itens apresentaram índices elevados tanto no EDIP quanto no Ecoindicador 99 a acidificação e a mudança climática provocada pelo uso de combustíveis fósseis.

Diferentes situações requerem ferramentas específicas

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