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Jorge L. Colodette
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