ENERGIA DA GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA COMO OPÇÃOENERGÉTICA DE DESENVOLVIMENTO LIMPO

Oscar Tadashi KintoYokogawa Service S/A

CEP: 06455-010 Barueri-SP tel: (011) 4195-2704 fax: (011) 4195-5387

Luiz Claudio Ribeiro GalvãoJose Aquiles Baeso Grimoni

Miguel Edgar Morales Udaeta1

GEPEA – USPGrupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da

Universidade de São PauloCEP: 05508-900 São Paulo – SP; tel: (11) 3091-5279 fax: (11) 3032-3595

RESUMO

O objetivo deste trabalho é mostrar umestudo para produção de energia através da biomassadentro do planejamento energético e comomecanismo de desenvolvimento limpo. Nessesentido, define-se em à região do MédioParanapanema (MPP), uma das regiões menosdesenvolvidas do estado de São Paulo, comoreferencial de aplicação segundo a metodologia doPIR (Planejamento Integrado de RecursosEnergéticos), mostrando também nesse trabalho oestado da arte das tecnologias de gaseificaçãoexistentes no mundo.

Para isso a metodologia usada foi a análisee caracterização da região, dos recursos de biomassae tecnologias de gaseificação, tudo focando a ACC(análise dos custos completos) e dentro de umperíodo de planejamento de 10 anos.

Obtendo-se como resultado um potencialteórico de 4x103 GWh, isso utilizando comocombustível somente os resíduos de biomassa dacana de açúcar, milho, milho safrinha, algodão emandioca (no caso, utilizando a tecnologia degaseificação de leito fluidizado).

De posse de tais resultados, pode-seestabelecer a carteira de recursos para gaseificaçao,e com isso, um plano preferencial para a região,mostrando assim a viabilidade e sustentabilidadedessa tecnologia para produção de energia elétrica.

ABSTRACT

This paper’s objective is to show a studyfor production of energy by using biomass focusedon an energetical planning and as a mechanism of

clean development. The region of the MédioParanapanema (MPP)is defined, as one of the lessdeveloped areas of the São Paulo state, according toPIR’s philosophy and also showing the state of theart of existing gasification technology in the world.

The methodology used was the analysis andcharacterization of the region, the biomass resourcesand gasification technologies, focused on a ACC(full costs analysis) during the planing period of 10years.

Getting as result, 4x103 GWh using thefollowing biomasses wastes: sugarcane bagasse,maize, safrinha maize, cotton and cassava as fueland using the technology of fluidized bed gasifier.

Using these results we could stablish aforeground plan for the region and show the viabilityand supply of this technology for electrical energyproduction.

INTRODUÇÃO

Embora o Petróleo ainda seja o sangue daeconomia atual, isso poderá se reverter em umintervalo de tempo menor que o esperado.

Estudiosos de diversos países estãoempenhados em desenvolver novas tecnologias quevisam substituir uma parcela razoável decombustíveis fósseis por combustíveis alternativos,seguindo uma nova ordem mundial que buscarepensar as formas de obtenção e geração de energiaelétrica preservando o meio ambiente.

Nas últimas décadas, os custos deinstalação e manutenção dessas tecnologias (solar,eólica, biomassa dentre outras) vêm declinandosignificativamente.

A produção de energia através dagaseificação da biomassa pode parecer uma

tecnologia recente mas na realidade ela já tem maisde 100 anos de existência. Ela foi esquecida por umlongo tempo pelo baixo preço dos combustíveisfósseis. Mas após as crises seu estudo foi retomado evem sendo visto como uma boa opção parasubstituição aos combustíveis fósseis pela baixaemissão de poluentes.

No caso das tecnologias de aproveitamentoda biomassa, quer seja de resíduos de madeira,agrícola ou urbano e industrial, o Brasil já possui umcompetente parque industrial para fornecimento deequipamentos e sistemas de geração elétrica.

Paralelamente, tecnologias novas comogaseificação de biomassa, estão sendo aprimoradaspara diferentes combustíveis. O Brasil esta inseridoneste processo de desenvolvimento internacional,estando bastante avançado no processo degaseificação de biomassa de cana de açúcar, folhas eresíduos de madeira.

A gaseificação, da biomassa reciclada, trazimpactos positivos ao meio ambiente, onde podemosdestacar a absorção do carbono da atmosfera,trazendo um balanço neutro do carbono durante oprocesso de produção de energia elétrica,contribuindo para redução do efeito estufa. Issoocorre porque todo gás carbônico produzido duranteo processo e absorvido pela plantas que serãoutilizadas novamente no processo mantendo aconcentração do gás carbônico inalterável.

Para a realização do estudo energético dagaseificação da biomassa, visando sua identificaçãocomo mecanismo de desenvolvimento limpo,procurou-se constituir uma verdadeira carteira derecursos energéticos dentro do PIR (KINTO, 2001).Porém, neste manuscrito somente se busca revelar aspartes mais importantes, tais como: Identificação daregião em estudo; Identificação das tecnologias degaseificação da biomassa disponíveis; Previsão ePlano preferencial para biomassa dentro da filosofiado PIR; Exemplo dos custos de um sistema degaseificação; Resultados e Conclusão

MÉDIO PARANAPANEMA-MPP

A região do MPP (Médio Paranapanema)está localizada no estado de São Paulo e tem umaárea de 7.013 km2, os seus municípios estãolocalizados dentro das bacias dos rios Paranapanemae do Peixe. O MPP é formado por um total de 17municípios que são: Assis, Borá, Campos NovosPaulista, Cândido Mota, Cruzália, Echaporã,Florínea, Ibirarema, Lutécia, Maracaí, Palmital,Paraguaçu Paulista, Pedrinhas Paulista, Platina,Quatá, Tarumã e Oscar Bressane (vide figura 1). OMPP é a terceira região menos desenvolvida doEstado (depois do Vale do Ribeira e Pontal doParanapanema), pois a sua infra-estrutura e baseeconômica estão totalmente voltadas para aagricultura e seus produtos (TCHOBANOGLUS etal, 1994).

Grandes usinas hidrelétricas estãolocalizadas no MPP, mas suas produções são emgrande parte enviadas aos grandes centrosconsumidores (KINTO, 2001). Atualmente, apopulação da região destaca que alguns de seusproblemas mais sérios estão relacionados aosimpactos ambientais causados pelas usinas ebarragens; às tarifas energéticas controladas, nãorefletindo os custos locais e a existência de áreasrurais não atendidas por falta de energia(SQUAIELLA e HAGE, 1999; SOUZA e IZZO,1997).

Figura 1. Visão Geral da Região do MPP

Assim, investimentos alternativos sãoconsiderados muito importantes para o futuro daregião, poder-se-ia reavaliar as tarifas energéticas eo excedente de energia poderia atrair novosinvestidores, possibilitando a melhoria dascondições de vida da população principalmenteagora em que o Brasil enfrenta uma grave criseenergética devido à falta de água nos reservatóriosbrasileiros. É simples demonstrar como a energiaelétrica pode ser considerada como fator dedesenvolvimento.

TECNOLOGIAS DE GASEIFICAÇÃO

GASEIFICAÇÃO EM LEITO FIXOA gaseificação em leito fixo –a matéria a

ser gaseificada só se move por ação da gravidade– éuma técnica adequada para a conversão dequantidades relativamente pequenas de biomassa.

Gaseificadores de leito fixo, de fluxoascendente, poderiam em princípio serdesenvolvidos para maiores capacidades, mas essanão têm sido a tendência. É importante notar que afacilidade com que uma tecnologia pode serdesenvolvida em sua escala ("scaling-up"), é umadas questões de maior importância em todosprocessos de conversão energética da biomassa.

Na geração de energia elétrica,gaseificadores de leito fixo têm sido empregados na

alimentação de motores de combustão interna, emsistemas de capacidade entre 100 kW e 10 MW.

FLUXO ASCENDENTEGaseificadores de fluxo descendente (figura

2) produzem gases com baixos teores de alcatrão ede material particulado.

Figura 2. Gaseificador de Leito Fixo e Fluxo ascendente

O baixo rendimento e dificuldade demanuseio de alta quantidade de umidade e cinzassão problemas comuns em pequenos gaseificadoresdescendentes. Ele é mais indicado para motores àcombustão interna do que gaseificadoresascendentes que produzem grandes quantidades devapor de alcatrão que podem interferir seriamentenos motores de combustão

FLUXO DESCENDENTEGaseificadores de fluxo descendente (figura

3) produzem gases com baixos teores de alcatrão ede material particulado.

O baixo rendimento e dificuldade demanuseio de alta quantidade de umidade e cinzassão problemas comuns em pequenos gaseificadoresdescendentes. Ele é mais indicado para motores àcombustão interna do que gaseificadoresascendentes que produzem grandes quantidades devapor de alcatrão que podem interferir seriamentenos motores de combustão.

LEITO FLUIDIZADOGaseificadores de leito fluidizado (figura 4)

têm sido utilizados na conversão termoquímica daturfa já há muitos anos, mas ainda não existe muitaexperiência na conversão da biomassa, pelo menosem grande escala. Nos equipamentos desse tipo,emprega-se um material como meio fluidizante, quearrasta consigo a biomassa, aumentando o contatodesta com o elemento oxidante e, conseqüentemente,aumentando as taxas de reação.

Figura 3. Gaseificador de Leito Fixo e Fluxo descendente

Gaseificadores de leito fluidizado são maisdequados à conversão de uma maior quantidade debiomassa –sistemas com capacidade entre 10 e 20toneladas de biomassa por hora já são operacionais.

Figura 4. Gaseificador de Leito fluidizado

São, também, mais flexíveis quanto àscaracterísticas do insumo, podendo ser empregadosna conversão de biomassa com mínimasnecessidades de processamento anterior àalimentação. Em função dessas vantagens (além docontrole mais fácil), é o princípio que tem sidoempregado em quase todos os projetos dedesenvolvimento de sistemas IGCC (sigla em inglêsde “gaseificação integrada a ciclos combinados”).Por outro lado, além dos maiores custosoperacionais, os problemas de adequação dos gasesquanto à sua qualidade tendem a ser maiores. Emfunção da própria natureza do processo, a

quantidade de material particulado arrastada tende aser maior; um segundo aspecto é que a maiortemperatura de saída dos gases permite que osálcalis saiam ainda na fase gasosa, impondodificuldades adicionais à limpeza.

Há dois modos de fornecer calor, direto eindireto. No fornecimento de calor direto a calorrequerido para a gaseificação vem da combustão docarvão no reator.

No modo indireto o carvão removido dogaseificador é queimado num recipiente separado. Avantagem é que os subprodutos da queima do carvãonão se misturam com os produtos da gaseificação

PREVISÃO DE ENERGIA E PLANOPREFERENCIAL

Com base nos dados fornecidos peloSEADE (SEADE, 2001) foi possível uma previsãoenergética para uma década, resultando no gráficoda figura (5). Nela pode-se observar apredominância do consumo residencial emcomparação ao consumo rural, industrial e outros.Através de uma regressão linear chegamos numaprevisão de consumo total de 471 GWh em 2010.

Figura 5. Crescimento energético

Com vistas a identificação dos insumos debiomassa que seriam caracterizados como recursosenergéticos para compor a carteira de recursos degaseificação, apresenta-se na tabela 1 a produçãoanual agrícola para o MPP. Onde após openeiramento, utiliza-se como combustível osresíduos de biomassa da cana de açúcar, milho,milho safrinha, algodão e mandioca [8].

Baseando-se na disponibilidade debiomassa na região, e considerando-se que oconteúdo energético dessas culturas sejamaproximadamente iguais, estimou-se umadisponibilidade total de resíduos de 5669,56 x103

toneladas (KINTO, 2001). Tendo como base que aenergia produzida por tonelada de bagaço é de7,31x10-4 Gwh/ton, resulta em um potencial teóricode: 4,14x103 GWh.

A equação acima foi calculado supondo acana de açúcar com 50% de umidade. Para um fatorde utilização de 90% (7889,4 h/ano), resulta emuma potência instalada de 525 MW (KINTO, 2001).

Num segundo momento, ponderai-se usar amadeira (que vem de bosques manejados) comofonte de biomassa para geração de energia.

Tabela 1. Produção agrícola do MPP (IBGE/1999)

Produtos Produção total,103 t/ano

Cana-de-Açucar 8.758,386Feijão 3,305Milho 81,597Soja 420,534Milho Safrinha 483,488Mandioca 204,919Café 4,332Amendoim 5,338Algodão 72,00Arroz 2,895

GERAÇÃO DE ENERGIA E SEUSIMPACTOS

A geração de energia apartir da gaseificaçãode biomassa é feita basicamente da seguinte forma(figura 6).

Figura 6. Processo de Produção de Eletricidade

Como pode-se ver a biomassa após sofreruma secagem entra no gaseificador e alimenta umturbina à gás que gera energia e passa pela caldeiraque gera vapor para girar uma turbina à gás ou quepode ser usada no processo (como por exemplomovimentar as moendas, facas e defribiladores numausina de cana de açúcar).

TURBINAComo seria de se esperar, a eficiência e,

consequentemente, a economicidade dos sistemas de

Crescimento Energético

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

1988 1993 1998 2003 2008

Ano

En

erg

ia C

on

sum

ida

Residencial Rural Industrial Outros Total

Linear (Residencial) Linear (Rural) Linear (Industrial) Linear (Outros) Linear (Total)

potência operando integrados a gaseificadores debiomassa vai depender em grande medida dodesempenho das turbinas a gás. Por razõeseconômicas, turbinas a gás não deverão serdesenvolvidas especialmente para essa finalidade, ouseja, as turbinas dos sistemas IGCC serãobasicamente máquinas adaptadas do projeto originalvoltado a combustíveis de maior densidadeenergética.

Comentando sobre as modificaçõesnecessárias às turbinas a gás para a operação dessascom gás de gaseificação de biomassa, no caso dagaseificação indireta, que produz um combustívelmais rico, as adaptações são muito pequenas emrelação ao projeto das turbinas comerciais.

IMPACTOS NO CONTEXTO DO ACCDentre os aspectos ambientais positivos,

destaca-se a absorção do carbono da atmosfera, pelonovo plantio, isso porque toda a proposta destetrabalho se orienta ao uso da biomassa residual doproduto final agrícola. Tal absorção de carbono,estaria ajudando a regular a quantidade de CO2

existente (pois tecnicamente haveria menos uso decombustível fóssil) e, consequentemente,contribuindo para reduzir o efeito estufa.

Socialmente pode gerar novos postos detrabalho, e aumentar o nível tecnológico.

Comercialmente, além de abrir um novo eamplo mercado de serviços e bens duráveis, tanto anível nacional como internacional, no caso dagaseificação da madeira poderia aplicar o conceitode uso múltiplo da floresta, otimizando os custos degeração de energia. A conjugação com projetosagro-industriais, como por exemplo na área de papele celulose e a indústria sucroalcoleira, poderá vir apermitir potencializar a utilização de florestasenergéticas já existentes e reorientar e revitalizar oPrograma Nacional do Álcool - Proálcool.

Empresarialmente, destaca-se a participaçãoda iniciativa privada associada a empresas públicasem projeto de geração de energia, e o trabalho emconjunto com empresas e entidades internacionais.Como resultado, há um intercâmbio positivo emtermos de critérios e métodos de gestão eplanejamento de projetos, trazendo novasoportunidades para as empresas do Setor Elétricodentro do novo cenário institucional.

CUSTOS DIRETOS ENVOLVIDOS NAGASEIFICAÇÃO

Como exemplo dos custos diretosenvolvidos numa produção de energia através debiomassa apresenta-se na tabela 2 um exemplo.Nele pode-se ver os custos envolvidos num sistemamisto de diesel/gasificador.

Tabela 2. Custos para produção de Eletricidade

Produção de Energia com um Sistemadiesel/gaseificador - 100kW

Capital de Investimento (incluindoequipamento e instalação)

$75,000

Consumo de biomassa 100kg/horaConsumo de Diesel 10 l/horaMão de obra 2 operadores / turnoManutenção/peças de reposição $750/anoCusto de geração deeletricidade(fu50%) através de:

$0.084/kwh

Capital investido no sistema deprodução de gás

$0.027

Investimento em combustível debiomassa

$0.010

Invetimento em diesel $0.025Mão de obra $0.020Manutenção $0.002

CONCLUSÃO

Embora as plantas comerciais em operaçãosejam poucas devido a dificuldades técnicas, aprodução de energia a partir da gaseificação pode servista como uma forma promissora num paísabundante em biomassa como o Brasil.

Estudos realizados sobre essa tecnologia aoredor do mundo são numerosos, principalmente pelapreocupação ambiental crescente e com apreocupação do futuro dos combustíveis fósseis,uma vez que eles não são renováveis. Neste contextoo Brasil se encontra em níveis tecnológicoscompatíveis aos países desenvolvidos, possuindouma planta comercial operacional à base de resíduosda plantação de arroz.

Dentro do escopo do PIR a gaseificação dabiomassa, num horizonte de logo prazo, o metanolque poderia ser produzido por ela poderia serutilizado pelas células de combustível. Também ogás proveniente do gasoduto da Bolívia poderia serutilizado para aumentar o poder calórico docombustível que seria utilizado pela Turbina á gás.No contexto de um Desenvolvimento sustentável,ela traz várias vantagem, pois além dos impactospositivos à natureza, gera mais empregosaumentando o nível sócio-econômico da região.

Modelagens (TCHOBANOGLUS et al,1994) demonstram a viabilidade econômica(gaseificador + gás natural) com taxa de desconto de12% a.a. onde a custo de energia gira em torno de62,00 a 63,00 US$/MWh, mostrando que ela podeser uma opção viável em comparação a outrasformas de geração de energia através de fontesalternativas .

A viabilidade econômica desta tecnologiadependerá fundamentalmente da internacionalizaçãodos benefícios ambientais e da utilização demecanismos de incentivo, sejam nacionais ouinternacionais para atingir níveis de investimento ecustos operacionais mais viáveis

PALAVRAS CHAVES

Gaseificação, Biomassa, Energia, MeioAmbiente, Planejamento Energético, Mecanismos deDesenvolvimento Limpo, Efeito estufa

REFERÊNCIAS

[1] SQUAIELLA, D.J.F.; HAGE, S.F.Possibilidades de Inserção da Energia SolarFotovoltáica na Região do Médio Paranapanema.Relatório Final do Projeto de Formatura, PEA.EPUSP, São Paulo 1999.[2] LACERDA, A.G.A.; MARUYAMA, F.M.Geração de Energia Elétrica à partir de célulasde combustível. Relatório Final do Projeto deFormatura 2000, PEA. EPUSP, São Paulo 2000.[3] CENBIO, Projeto WSP/SIGAME. Ano 3 n9.[4] CENBIO. A Civilização da Biomassa,Gaseificador de leito fixo de pequeno porte parabiomassa usado em uma plantação de cacau naIndonésia. Ano 3 nº11.[5] SOUZA, M.V.; IZZO, R. Estudos(avaliativos) da Biomassa para geração deEnergia Elétrica no Médio Paranapanema.

Relatório Final de Projeto de Formatura 1997, PEA.EPUSP, São Paulo 1997.[6] TCHOBANOGLOUS, G.; HILARY, T.;SAMUEL A.V. Gestión Integral de ResiduosSólidos. McGraw-Hill, Madrid, 1994.[7] REIS, L.B.; UDAETA, M.E.M.; GALVÃO,L.C.R.; BIAGUE, M.F. Relatório Executivo MPP,GEPEA – USP. EPUSP, São Paulo 2000.[8] KINTO, O.T. Produção Local de Energiaatravés da Gaseificação da Biomassa paraGeração de EE no MPP. Relatório Final do Projetode Formatura 2001, PEA. EPUSP, São Paulo 2001.[9] UNICAMP, www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/textos.htm,, 2001.[10] SEADE, www.seade.org.br, 2001.[11] BGTECHOLOGIES,www.bgtechnologies.net/, 2001.[12] THERMOGENICS, www.thermogenics.com,2001.[13] CEMBIO, www.cenbio.org.br/, 2001.[14] UNDP, www.undp.org/seed/eap/Publications/2000/2000b.html, 2001.[15] CEMBIO, http://www.ambiental.com.br/Cenbio/biomassa/tecnolog.htm, 2001.

1 Autor Responsável: Miguel Edgar Morales Udaeta

GEPEA – USPAv. Prof. Luciano Gualberto, trv3, 158CEP: 05508-900São Paulo - SP - BrasileMail: udaeta@pea.usp.br