Perspectivas da biomassa namatriz econmico energtica

brasileira

Srgio Valdir BajayDepartamento de Energia, Faculdade de Engenharia Mecnica

e Ncleo Interdisciplinar de Planejamento Energtico (NIPE)

Universidade Estadual de Campinas

Principais rotas tecnolgicas para a utilizao da bioenergia

Calor Combustvel

Combusto

Eletricidade

GasificaoPirlise

LiquefaoHTU

Digesto

Converso termoqumica

Fermentao Extrao(oleaginosas)

Vapor Gs Gs leo Carvo Biogs

Turbinaa vapor

Ciclos combinados,

motores

Sntese Refino Motor a gs Destilao Esterificao

CaC Diesel Etanol Biodiesel

Converso bioqumica

Geraes de biocombustveis

Biocombustveis de 1 gerao: lenha, carvo vegetal, resduos (para combusto), lcool obtido a partir da cana de aucar, beterraba ou cereais, biodiesel, ETBE, etc.

Biocombustveis de 2 gerao: lcool obtido a partir de resduos da biomassa e produtos lignocelulsicos, combustveis sintticos, com destaque para a pirlise e, sobretudo, a gaseificao da biomassa, etc.

lcool

MATRIAS PRIMAS PARA A PRODUO DE ETANOL

ACARES: cana de acar, melao,beterraba, frutas

AMIDOS: milho, mandioca, batata doce, trigo

LIGNOCELULSICOS: resduos agrcolas,lixvia negra,plantaes energticas

PROCESSOS PRODUTIVOS

ACARES: fermentao

AMIDOS: hidrlise e fermentao

LIGNOCELULSICOS: hidrlise,purificao e fermentao

PRINCIPAIS MATRIAS PRIMAS EM USO COMERCIAL

ACARES: cana, melao, beterraba

AMIDOS: milho, trigo

LIGNOCELULSICOS: resduos agrcolas,switchgrass

FATORES IMPORTANTES NA ESCOLHA DA MATRIA PRIMA

Produtividade Balano energtico total (campo e indstria) Custo de produo Requisitos de qualidade de solo e clima Adaptvel tecnologia existente Adequao agricultura familiar ou extensiva Resduos com valor energtico Sazonalidade Usos alternativos Ser uma cultura difundida

Novas tecnologias na rea agrcola

Melhoramento gentico

Ajuste de adubao com mapas de produtividade

Plantio direto

Controle de trfego

Agricultura de preciso

Plantio direto com controle de trfego

Controlado Convencional

3 % 30 %Pisoteio (% da rea)

RAPER & KIRBY, 2006

Potenciais ganhos de produtividade em 20 anos

15Melhoramento gentico com engenharia gentica e agricultura de preciso:

15Ajuste de adubao com mapas de produtividade

10Plantio direto com controle de trfego:

Ganhos de produtividade [%]

Fator

Com estas novas tecnologias, a produtividade agrcola da cana de aucar poder aumentar, neste perodo, de 71 t/ha para 98 t/h e a longevidade do canavial poder crescer de 5 para 10 anos

Fonte: Prof. Oscar Braunbeck, Feagri e NIPE, Unicamp

Avanos tecnolgicos possveis nas destilarias de lcool Extrao: eliminao da lavagem da cana e moendas com acionamento eltrico, ou

difusores. Aumento da eficincia de extrao, de 96,26 para 98% em 2025

Tratamento do caldo: pr-concentrao do caldo em 6 estgios e esterilizao do mosto. O rendimento pode aumentar de 99,5 para 99,75% em 2025

Fermentao: processo Melle Boinot ou contnuo, em 3 estgios, a temperaturas mais baixas, maior grau alcolico (9,5 oGL para 12 oGL em 2025), linhagens especficas, eliminao de infeces e da floculao, abolio do emprego de antibiticos. O rendimento pode aumentar de 89,7 para 92% em 2025

Destilao e retificao: reformulao das partes internas dos aparelhos, controle automtico, aumento da capacidade dos equipamentos para 1000 m/dia, introduo da destilao com mltiplos efeitos (2 efeitos: vcuo e atmosfrico, e 3 efeitos: vcuo, atmosfrico e sobre-presso). O rendimento pode aumentar de 99,5 para 99,75% em 2025

Desidratao: introduo da desidratao azeotrpica com cicloexano, com 3 efeitos: vcuo, atmosfrico e sobre-presso, e de processos de per vaporao

Produo de vinhoto: reduo do volume por concentrao trmica em 6 estgios, cristalizao de sulfatos, biodigesto termoflica e desulfurizao biolgica, introduo de concentrao por membranas. A produo de vinhoto pode diminuir de 9,2 para 7,1 litros por litro de AEAC em 2025

Fonte: Carlos Rossel, NIPE/Unicamp

Avanos tecnolgicos possveis nas destilarias de lcool

Com esta medidas, pode-se alcanar os seguintes ganhos de produtividade em 2025: Aumento do rendimento industrial de 88,3 para 92,5

litros de AEAC por tonelada de cana (TC) Diminuio do consumo de vapor de 493 para 372 kg/TC Diminuio do consumo de gua de mais de 1 para

menos do que 1 m3/TC

Fonte: Carlos Rossel, NIPE/Unicamp

Perfil da gerao de eletricidade e vapor de processo em unidades de cogerao nas destilarias em 2025,

caso no haja produo de lcool por hidrlise Entre 2013 e 2025 a expanso da gerao de eletricidade

deve ocorrer com a introduo de sistemas de cogerao de 90 bar/520C, caso no haja produo de etanol por hidrlise;

A gerao de vapor deve ocorrer com emprego de bagao e palha;

Recuperao de 50% da palha; Reduo do vapor de processo para 372 kg/tc; Total eletrificao dos acionamentos; Turbinas de extrao-condensao; 4.000 horas de operao na safra e 3.360 horas na entre

safra

Fonte: Prof. Arnaldo Walter, FEM e NIPE, Unicamp

Perfil da gerao de eletricidade e vapor de processo em unidades de cogerao nas destilarias em 2025,

caso haja produo de lcool por hidrlise

Entre 2013 e 2025 a expanso da gerao de eletricidade deve ocorrer com a introduo de sistemas de cogerao de 90 bar/520C, caso haja produo de etanol por hidrlise;

A gerao de vapor deve ocorrer com o uso da palha, da lignina e de 20 a 25% de bagao;

Recuperao de 50% da palha; Consumo de vapor de processo de 520 kg/tc, por conta da

demanda adicional do processo de hidrlise; Total eletrificao dos acionamentos; e Apenas turbinas de contra-presso e operao apenas durante

a safra

Fonte: Prof. Arnaldo Walter, FEM e NIPE, Unicamp

Produo de lcool a partir do bagao da cana

O bagao integral da cana (fibra mais medula) constitudo por 36% de celulose, 26% de hemicelulose e 20% de lignina, entre outros componentes

A hidrlise, cida ou enzimtica, permite que a celulose e a hemicelulose do bagao sejam convertidos em etanol

A converso de biomassa lignocelulsica em lcool pode ocorrer em duas etapas, ou em uma s

Na converso em duas etapas, a hidrlise, cida ou enzimtica, constitui a primeira etapa. Ela produz aucares, que, aps a etapa de fermentao,se transformam em lcool

H dois processos de converso em uma s etapa: o SFS e o CDM

No processo SFS, a fermentao e a sacarificao so simultneas

O processo CDM, de converso microbiana direta, combina a produo de enzimas, a hidrlise da celulose e a fermentao da sacarose

Rota tecnolgica escolhida no projeto BIOETANOL, do NIPE(Unicamp)/CTC/USP/UFRJ

Fonte: Slvia Nebra, NIPE, Unicamp

cana moenda(difusor)

caldo

bagao+ palha?

caldeiras Vapor alta

turbinas

Vapor baixa

Energia eltrica

Pr-tratamento Hidrlise enzimtica fermentao

vinho

destilao

lcool

Lignina, resduos

vinhoto

Produoenzimas

Sacarose+ gua

condensado retorno

Projeto BIOETANOL

Insero do processo nas plantas existentes

Tipos de pr-tratamento do bagao, antes de sua hidrlise:

Triturao Exploso com vapor (injeo de vapor com despressurizao sbita) Exploso com vapor de amonaco (AFEX) Exploso com dixido de carbono

Com gua quente lquida

Oxidao mida (com gua lquida e oxignio) Hidrlise com lcalis (com hidrxido de sdio diludo) Com solventes orgnicos ou aquosos (metanol, etanol, etc.) Biolgicos com microorganismos (fungos)

Biodiesel

de 2005 a 2007(2% permitido)

de 2008 a 2012(2% obrigatrio)(5% permitido)

A partir de 2012 (5% obrigatrio)

Lei no 11.097/2005 estabeleceu porcentagens mnimas para a mistura de biodiesel com o leo diesel

Programa Nacional de Biodiesel - Legislao

Porcentagens maiores podem ser utilizadas, quando autorizado pela ANP, para testes, ou uso em:

Frotas especficas de veculosTransporte martimo, fluvial, ou ferrovirioGerao de energia eltricaProcessos industriais especficos

Rotas tecnolgicas para a converso de leos vegetais em combustveis

Os leos vegetais podem ser convertidos em combustveis atravs da transesterificao ou do craqueamento (processo HBIO da Petrobrs, por exemplo)

A transesterificao pode empregar catalizadores alcalinos, cidos ou enzimticos, e etanol ou metanol

A transesterificao alcalina tem sido, at agora, a rota mais interessante (cintica mais rpida de reo)

A matria-prima importante na deciso sobre o uso de catlise cida ou bsica

A catlise enzimtica, que promete algumas vantgens, como menos subprodutos, est em fase inicial de desenvolvimento

A transesterificao etlica, mais interessante para o Brasil, apesar de mais complexa que a rota metlica, poder atingir nveis equivalentes de qualidade

Matrias-primas para a converso de leos vegetais em combustveis

A matria-prima utilizada afeta os requerimentos de processo, os rendimentos e a qualidade do biodiesel produzido

O biodiesel pode ser produzido a partir de diversas matrias-primas, tais como leos vegetais, gorduras animais e leos e gorduras residuais

As matrias-primas consideradas mais promissoras, por enquanto, no Brasil, so: (i) a soja, por conta do complexo agro-industrial sofisticado e de porte j existente no Pas, sobretudo para as regies sudeste, centro-oeste e sul; (ii) o dend, pela sua elevada produtividade, em l/h, e grande disponibilidade na regio norte; e (iii) a mamona, pela sua facilidade de cultivo no serto nordestino

Os custos de produo ainda so elevados e mais ainda so os custos de oportunidade (preos de venda para aplicaes alternativas). A diferena entre estes dois custos define os nveis de subsdios necessrios

O centro de pesquisas da Petrobrs est desenvolvendo uma rota etlica para a produo de leo de mamona, diretamente a partir de sementes trituradas

HBIO HBIO um processo, desenvolvido e patenteado um processo, desenvolvido e patenteado pela Petrobrpela Petrobrs, de:s, de: Refino de petrleo que utiliza leos vegetais como

matria prima para a obteno de leo diesel

Hidrogenao de uma mistura de leo diesel e leos vegetais

Mamona Girassol Dend AlgodoSoja

O processo HBIO na refinaria

PETRLEO

FCC

DIESEL DD

COQUE DO DIESEL

DIESEL FCC

HDTexistente

OUTRASFRAES DO DIESEL

DIESELGasleo

resduo

LEOSVEGETAIS

ProcessoHBIO

DESTILAOATMOSFRICA

DESTILAO VCUO

COQUEAMENTORETARDADO

resduo

FCC Craqueamento catalticoHDT - Hidrotratamento

HBIO e biodiesel

Novos desafios tecnolgicos e organizacionais

Produo integrada de alimentos e combustveis Em pequena escala (trabalho desenvolvido pelo Prof.

Enrique Ortega, da FEA, Unicamp) Em grande escala (vem ganhando destaque em estudos

prospectivos sobre biocombustveis no futuro, sobretudo na Unio Europia)

Bio-refinarias (tese de doutorado em planejamento de sistemas energticos, orientado por Isaias Macedo, do NIPE, Unicamp)

Para Fonte de PCH, Biomassa e Para Fonte de PCH, Biomassa e EElica;lica;

Prioridade ao Produtor Prioridade ao Produtor Independente Autnomo Independente Autnomo PIA;PIA;

AquisiAquisio de 3.300 MW de o de 3.300 MW de Capacidade Instalada, pela Capacidade Instalada, pela ELETROBRELETROBRS (20 anos), distribuS (20 anos), distribuda da igualmente por tipo de fonte;igualmente por tipo de fonte;

60% de nacionaliza60% de nacionalizao;o;

SeleSeleo por antiguidade de Liceno por antiguidade de Licena a Ambiental de InstalaAmbiental de Instalao o LI;LI;

DistribuiDistribuio por estado de 20% o por estado de 20% para Biomassa e Epara Biomassa e Elica e 15% para lica e 15% para PCH.PCH.

CARACTERCARACTERSTICAS:STICAS:

SITUASITUAO:07/07O:07/07(em opera(em operao)o)

PCHPCHss

EElicaslicas

BiomassaBiomassa

TotalTotal

1212 215 MW

5

16

868 MW868 MW32983298 MWMW

208 MW

444 MW

63

27

1191 MW

685 MW

1422 MW

Investimentos da ordem de R$ 12,3 bilhes*Investimentos da ordem de R$ 12,3 bilhes*

54

PROINFAPROINFA(Total)(Total)

144144

Em fase de construEm fase de construo: o: 46 PCH46 PCHs s 909 MW909 MW4 e4 elicas licas 47 MW47 MW

4 Biomassa 4 Biomassa 70 MW70 MW

3333

Fonte:Ebrs-setembro/07* Situao julho/07

Leis 10.847 e 10.848/ 2004:

Criao da Empresa de Pesquisa Energtica EPEcom a atribuio de realizar estudos para subsidiar a

atividade de planejamento, coordenada pelo MME

Art. 174 da Constituio Federal:A atividade de planejamento uma funo indelegvel do

governo Elaborao de polticas e diretrizes

Gabinete do Ministro

Consultoria Jurdica

Assessoria Econmica

Secretaria-Executiva

MINISTRO

Secretaria de Secretaria de Secretaria de Secretaria de Planejamento ePlanejamento ePlanejamento ePlanejamento e

Desenvolvimento Desenvolvimento Desenvolvimento Desenvolvimento EnergEnergEnergEnergtico tico tico tico

Secretaria deSecretaria deSecretaria deSecretaria dePetrPetrPetrPetrleo, leo, leo, leo,

GGGGs Natural e s Natural e s Natural e s Natural e CombustCombustCombustCombustveis veis veis veis RenovRenovRenovRenovveis veis veis veis

Secretaria de Secretaria de Secretaria de Secretaria de Energia ElEnergia ElEnergia ElEnergia Eltricatricatricatrica

DNPMANP

ANEEL

AUTARQUIASAUTARQUIASAUTARQUIASAUTARQUIASPETROBRAS

ELETROBRS

ECONOMIA MISTAECONOMIA MISTAECONOMIA MISTAECONOMIA MISTACPRMCBEEEPE

EMPRESAS PEMPRESAS PEMPRESAS PEMPRESAS PBLICASBLICASBLICASBLICAS

Estrutura Organizacional MMEDecreto n. 5.267/2004

Secretaria deSecretaria deSecretaria deSecretaria deGeologia, Geologia, Geologia, Geologia,

MineraMineraMineraMinerao e o e o e o e TransformaTransformaTransformaTransformaoooo

Mineral Mineral Mineral Mineral

Objetivos deste planejamento:subsidiar polticas pblicas para o setor energtico

O atual processo de planejamento no MME

OperaoProjeto

ExecutivoConstruo

ProjetoBsico

Estudo deViabilidade

Estudos de Inventrio

Licitao e Concesso

PLANEJAMENTO DE LONGO PRAZO

Horizonte 20 a 30 anosAtualizaes 4 anos PLANO DECENAL DE

EXPANSOAtualizaes anuais

MONITORAMENTO DA EXPANSO

Horizonte 5 anosAtualizaes mensais

Estimativas Iniciais de

Consumo e Potencial de Oferta

Ciclo de planejamento e implantao dos empreendimentos

POLTICAS E DIRETRIZES

CNPE

3%3,3%

1,8%2,4%4,8%

9%75,7%Hidreltrica 347,8

Gs 22,2

Petrleo 10,9

Carvo 8,5

Nuclear 13,8

Biomassa* 15,2

Importao 41,2

FONTE TWh

Matriz de Energia ElMatriz de Energia Eltricatrica

Fonte : Balano Energtico MME - 2006

TotalTotal459,6 459,6 TWhTWh

Inclui Autoprodutores (41,7 TWh)*Inclui elica (236 GWh)

(Produ(Produo o -- dezembro de 2006)dezembro de 2006)

Fator Unidade Hdrica Biomassa Carvo Nac. NuclearCarvo Import.

Gs Natural Elica

leo Comb. Diesel

Custo varivel unitrio R$/MWh 1,5 14,7 37,5 25,2 54,3 108,6 4,5 300,0 500,0Custo de investimento US$/kW 1.250,0 1.100,0 1.500,0 2.000,0 1.500,0 900,0 1.500,0 800,0 600,0

Tarifa de equilbrio R$/MWh 116,4 121,1 133,3 151,6 152,4 175,0 232,0 382,9 602,2

Avaliao da competitividade entre tecnologias/combustveis para gerar energia eltrica

Fonte: MME, 2007

leo Comb/Diesel

30%

Gs Natural24%

Bagao de Cana3%

Hidreltricas34%

PCH2%

Carvo Mineral7%

LEILES DE ENERGIA NOVA MW mdios

2.4771262282.1961.791546

UHEPCHBagao de Canaleo Comb./Diesel

Gs NaturalCarvo Mineral

Leiles de energia eltrica

Taxas mdias de crescimento do PIB adotadas no PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

2007 2016

Nuclear Proinfa PCH Carvo leo Diesel leo combustvel Biomassa

Evoluo da Matriz Eltrica

Fonte: PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

PDE 2007-2016

1970

2000

2010 2030

Tendncias

Maior diversificao da Matriz: aumento da participao da cana e do gs

Obs.: Os grficos indicam a evoluo da oferta interna de energia.Os energticos destacados explicam pelo menos da Matriz.Fontes: Balano Energtico Nacional e estudos da EPEElaborao: EPE

14%

35%

13%

14%

29%

16%7%3%

14%

6%

7%

18%

46%

16%

12%

38%

48%

Petrleo GsCarvo UrnioHidrulica LenhaCana Outras renovveis

PNE 2030

Consumo final energtico: estrutura por fonte

2005

2030

Elaborao: EPE

2005 2030 Milhes de tep 196 483

2%

6%6% 3%

20%

10%

19%

34%

0%

6%

12% 2%

40%

15%

7%

18%Derivados do PetrleoBiodieselEletricidadeProdutos da canaGs NaturalCarvo mineralCarvo vegetal e lenhaOutros

PNE 2030

rea (106 ha) Produo (106 t/ano)

Tendncias

Expanso do uso da cana-de-acar como energtico

Balano Produo-Consumo de Etanol

Produo Domstica de Cana

Exportao de etanol (% da produo)

106 m3/ano % da produo

106 m3/ano

Elaborao: EPE

0

5

10

15

2005 2010 2020 20300%

10%

20%

30%

Exportao % da produo

4

6

8

10

12

14

2005 2010 2015 2020 2025 2030400

600

800

1.000

1.200

rea plantadaProduo de cana

0

10

20

30

40

50

60

70

1990 2000 2010 2020 2030

ProduoConsumo

PNE 2030

Eletricidade: expanso da gerao de fontes alternativas

780

1.300

6.515

4.653

7.000

19.468

Acrscimo 2005-2030

8.3305.3303.3302.3301.330PCH

4.6823.4822.2821.38229Centrais elicas

6.5714.5212.9711.82156Centrais biomassa

1.30065020000Centrais resduos

1.3801.040650410Acrscimo mdio anual6.9005.2003.2504.118Acrscimo no perodo

20.883

203013.9838.7835.5331.415Capacidade instalada2025202020152005

Unidade: MW

Composio do parque de fontes renovveis2030

Fonte: EPE

39%

23%

32%

6%

PCH Elica Biomassa Resduos

PNE 2030

Fonte: EPE

Investimentos no Setor Energtico2005-2030: US$ 804 bilhes

Evoluo da Matriz Energtica Brasileira

Cana-de-acar

4%

Petrleo e derivados

49%

Eletricidade35%

Gs natural12%

PNE 2030