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1 Recebido para publicação em 10.1.2006 e aceito em 11.2.2006 .2 Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída – NEST, Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI,Av. BPS 1303, Pinheirinho, Caixa Postal 50, 37500-903 Itajubá-MG, <electo@unifei.edu.br>, <ruben@unifei.edu.br>.

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State-of-the-Art and Potential for Biofuel Use in Brazil

Electo Eduardo Silva Lora2 e Rubenildo Vieira Andrade2

Resumo: O objetivo deste artigo foi fazer um resumo dos programas, dos projetos e das tecnologiasrelacionadas com a utilização dos biocombustíveis no Brasil. É apresentada uma avaliação dadisponibilidade da biomassa e do potencial de geração de eletricidade para diferentes setores industriaise agrícolas. Como resultado é apresentada também uma estimativa do potencial técnico total de geraçãode eletricidade a partir de biocombustíveis no Brasil. Adicionalmente, é discutido o estado-da-arte dediferentes tecnologias para conversão da biomassa em eletricidade, assim como as principais atividadesde pesquisa e desenvolvimento em execução pelo Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica eDistribuída – NEST, do Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI.

Palavras-chave: Biomassa, geração de eletricidade, projetos em biocombustíveis epotencial de bioenergia no Brasil.

Abstract: The objective of this paper is to make a summary of the programs, projects and technologiesrelated to biofuel use in Brazil. An Biomass availability and electricity generation potential for differentindustrial and agricultural sectors are also presented. An overall technical potential for electricitygeneration based on biofuels in Brazil is presented as well. In addition, the state-of-the-art of differenttechnologies for converting biomass into electricity is discussed, as well as the main development andresearch activities being carried out in this area by the Excellence Group for Thermal Power andDistributed Generation – NEST, at the Mechanical Engineering Institute, Universidade Federal deItajubá – UNIFEI, in Itajubá, Brazil.

Keywords: Biomass, electricity generation, biofuel projects, bioenergy potential inBrazil.

1 INTRODUÇÃO

Calcula-se que aproximadamente 14% dototal da energia consumida no mundocorresponda à biomassa. O potencial técnicoda bioenergia para o ano 2050 é avaliadocomo 340-450 EJ, valor este que permitiriasatisfazer a atual demanda global de energia

(FISCHER; SCHRATTENHOLZER, 2003).Para este momento, de acordo com diferentesprognósticos, a biomassa deve representaraproximadamente 18-30 % do total de energiaconsumida (HOOGWIJK et al., 2002).

Os biocombustíveis poderiam ser umadas soluções para o fornecimento de energia

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elétrica para comunidades isoladas e paraprogramas de desenvolvimento de áreasrurais. Isto sobre a base de tecnologias apro-priadas e com modelos de gestão susten-táveis. Porém, atualmente não se dispõe detecnologias comerciais para geração deeletricidade em pequena escala, a partir dabiomassa, com alta confiabilidade, baixo custode investimento e de geração e comsimplicidade de operação e manutenção.

Outro aspecto importante da bioenergiaé a sua potencial contribuição à solução dosproblemas ambientais decorrentes do uso decombustíveis fósseis. A mitigação do efeitoestufa é possível mediante a utilizaçãosustentável da biomassa como combustívele, ou, mediante o seqüestro do carbono atmos-férico pelas florestas. Assim o Protocolo deKyoto permite a emissão e comercializaçãode créditos de carbono pela implementaçãode projetos de bioenergia, e mais recente-mente por atividades de reflorestamento. Poroutro lado, a substituição direta de combus-tíveis fósseis por biomassa leva à reduçãoradical das emissões de óxidos de enxofre enitrogênio.

O objetivo deste trabalho foi dar umpanorama das ações, dos projetos e das tecno-logias relacionadas com a implementação dabioenergia no Brasil. Também contemplauma avaliação dos principais projetos emandamento, assim como um resumo dasatividades de pesquisa e desenvolvimento querealiza o Núcleo de Excelência em GeraçãoTermelétrica e Distribuída-NEST, daUniversidade Federal de Itajubá em Itajubá,Minas Gerais, Brasil, neste tema.

2 A BIOMASSA NO BALANÇO ENERGÉTICO DO

BRASIL

A oferta interna de energia no Brasil, em2002 (Figuras 1 e 2), foi de 198 milhões deTEP (toneladas equivalentes de petróleo) ou1,134 TEP por habitante. Desse total, 41%coube às fontes renováveis de energia, sendo

14% proveniente da energia hidráulica e 27da biomassa (BEM, 2003).

A produção de álcool nesse período foide 12,6 milhões de m³ (BEN, 2003). Os prog-nósticos apontam para 2022 uma produçãode 23,7 milhões de m³ (BRASIL, 2002).

A produção de eletricidade a partir debiomassa no Brasil, em 2002, correspondeua aproximadamente 4% da quantidade totalgerada, que foi de 344,6 TWh. A partir de

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bagaço de cana foram gerados 5,36 TWh, dalenha 0,67 TWh, do licor negro ou lixívia3,51 TWh e de resíduos agrícolas 4,18 TWh(BEN, 2003).

A potência instalada total é de 88,36 GW,devendo-se ressaltar que deste valor2,915 GW, ou seja, 3,3% correspondem àbiomassa (ANEEL, 2004). Estão em constru-ção cinco centrais termelétricas à biomassa,com uma potência instalada de 164,25 MW,e está autorizada a construção de mais40 unidades, com uma potência total de318,12 MW (ANEEL, 2004).

Observa-se um processo de transiçãodesde um nível tecnológico baixo, conhecidocomo “biomassa convencional”, que inclui, porexemplo, a utilização da lenha para cozinharalimentos, até a “biomassa moderna”, queestá relacionada com o aproveitamento dabiomassa para geração de calor industrial eeletricidade e a produção de combustíveis.Na Figura 3 observa-se que a fração de bio-massa moderna na matriz energética nacio-nal (11,3%) é praticamente a mesma da bio-massa tradicional (12,5%) (GOLDEMBERG;COELHO, 2002). De forma comparativa,pode-se mencionar que a biomassa modernacorresponde a apenas 1, 73% do consumo glo-bal de energia.

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No Brasil, a implementação da bioener-gia se dá em três níveis: no primeiro nívelem baixas potências, que vai desde algunsaté dezenas de kWs, típico de pequenascomunidades; no segundo, caracterizado porpotências de até alguns MWs, e que é típicode comunidades com centenas de habitantes,serrarias, fábricas de móveis e plantas debeneficio de arroz; e no terceiro, com potên-cias maiores que 5-10 MW, típico de usinasde açúcar e álcool, fábricas de celulose epapel, assim como termelétricas à biomassa.

3 OPORTUNIDADES DE UTILIZAÇÃO DE

BIOMASSA NO BRASIL

3.1 Setor de açúcar e álcool

Existem no Brasil 320 indústrias de açú-car e álcool, que processam 357,50 milhõesde toneladas de cana por ano, gerando94,4 milhões de toneladas de bagaço (ÚNICA,2004). Cada tonelada de cana produz, emmédia, 140 kg de bagaço, 150 kg de açúcar e140 kg de palha (resíduo agrícola da cana).Toda a energia térmica e 95 % da eletricidadeconsumida pelas usinas de açúcar (1,48 GW)são geradas a partir do bagaço de cana. Parao caso do etanol, a energia obtida é oito anove vezes maior que a gerada no processode fabricação, o que o torna extremamenteatrativo, em comparação com outros tipos deenergia renovável no mundo. Além disso, aprodução de álcool no Brasil provoca umaredução da emissão de gases estufa em tornode 12,7 milhões de toneladas de carbonoequivalente (MACEDO, 2001), com umaprodutividade de 6350,0 litros de álcool porhectare (ÚNICA, 2004).

O potencial técnico de geração deeletricidade no setor de açúcar e álcool, utili-zando ciclos a vapor com altos parâmetros, éde 3,85 GW (aproveitando os 40% de palhaexistente). Outros estudos mencionam umavariação entre 6 e 8 GW. Os valores mais altosconsideram a utilização da tecnologia BIG-GT (Biomass Integrated Gasification-Gas

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Turbine), que integra a gaseificação de bagaçode cana com turbinas a gás, operando em ciclocombinado.

Em 2002 foram disponibilizados para osistema elétrico 619 MW (ÚNICA, 2004).Esse valor corresponde apenas a 15 % dopotencial técnico de 4 GW mencionado ante-riormente. Para 2022 a potência instaladaprevista é de 5,8 GW e a geração de eletrici-dade excedente, 30 TWh (MME, 2002).

3.2 Setor de papel e celulose

Com mais de 200 empresas, o setor depapel e celulose produziu 9 milhões detoneladas de celulose e 7,9 milhões detoneladas de papel, em 2003 (BRACELPA,2003). O setor tem mais de 1,4 milhão dehectares plantados principalmente de euca-lipto e pinus com uma produtividade média,em 2002, de 50 e 33 metros cúbicos estéreospor hectare por ano, respectivamente. Osetor caracteriza-se por um alto consumode energia elétrica, que em 2003 foi de12,767 TWh (BEN, 2003). Possui excelentespossibilidades para a co-geração a partir decombustíveis renováveis (resíduos de ma-deira, cascas e licor negro). Apesar disso, sefosse possível utilizar todo o combustíveldisponível em co-geração, não seria possível

atender á demanda de eletricidade com astecnologias de geração comerciais.

As fábricas de celulose têm uma capa-cidade instalada de 1.067,2 MW (BEN, 2003).O potencial técnico de geração de eletricidadeno setor para 2003 foi avaliado em 1.740 MW(GOLDEMBERG; COELHO, 2000). A utiliza-ção de gás natural ou licor negro gaseificadoem turbinas a gás pode ser a via que permitiráconseguir a auto-suficiência elétrica.

3.3 Resíduos agrícolas

Segundo os dados do Ministério daAgricultura, Pecuária e Abastecimento, em2001 foram colhidos quase 100 milhões detoneladas de grãos, mandioca e algodão, o queequivale a um pouco mais de 130 milhões detoneladas de resíduos (palha, talos e cascas)(MAPA, 2003). No Quadro 1 estão resumidosos dados mais importantes em relação aosvolumes de safra, seus resíduos e seu poten-cial energético. Este potencial foi calculado,considerando um poder calorífico médio dosresíduos de 15 MJ kg-1, uma eficiência deconversão de 15% e a possibilidade de recu-peração de apenas 50% dos resíduos (poten-cial mínimo). O valor do potencial máximofoi calculado considerando a eficiência deconversão de 20% e a fração de resíduos

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Produção Coeficiente de

Resíduos Quantidade de

Resíduos Potencial Energético

Mínimo Potencial Energético

Máximo Cultura Agrícola/Resíduo (106 toneladas) (CR) (106 toneladas) (MW) (MW)

Milho/talos e sabugo 41,44 1,0 41,44 1.478,31 2.759,513

Soja/talos 37,68 1,40 52,75 1.881,84 3.512,785

Arroz/(palha + casca) 11,42 1,5 + 0,22 20,20 721,08 1.346,022

Trigo/palha 3,19 1,3 4,14 147,94 276,151

Algodão/ramas 0,94 2,45 2,29 81,98 153,032

Mandioca/(talo e ramas) 22,48 0,8 17,98 641,55 1.197,565

Café / casca 1,91 0,21 0,40 14,30 26.709,470

Total 119,06 - 139,23 4.967,02 9.271,777

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recuperáveis de 70%. Assim, chegamos a umpotencial total mínimo de 4.967,02 MW emáximo de 9.271,77 MW.

Atualmente, só a casca de arroz éutilizada para geração de energia elétrica. NaRegião Sul do Brasil, que concentra osgrandes produtores e a indústria de benefíciode arroz, já existem várias centrais termelé-tricas com ciclo a vapor, com capacidade dealguns MW cada uma.

3.4 Resíduos da indústria madeireira

O único levantamento existente sobre adisponibilidade de resíduos de madeira noBrasil foi realizado por IMAZON, uma ONG(organização não-governamental) brasileira,com dados referentes a 1997 e 1998. Esteestudo inclui 95% das empresas madeireirasda região Amazônica. Como resultado chegou-se à conclusão que a quantidade de resíduodisponível está em torno de 7,6 milhões detoneladas anuais. De acordo com Macedo(2001), isto corresponde a um potencial de430-860 MW.

3.5 Florestas energéticas

É difícil encontrar dados sobre o potencialde reflorestamento no Brasil e a produtivi-dade que teriam essas florestas energéticas,já que são muitos os fatores que influenciama magnitude futura das áreas plantadas. Noperíodo de 1969 a 1994 foram plantados6,4 milhões de hectares de eucalipto e pinusno Brasil, sendo mais de 90% com eucalipto(BRASIL, 2002).

Atualmente, observa-se um déficit noritmo necessário de reflorestamento, e o Paísestá importando madeira para indústria demóveis. Esta situação está sendo conhecidacomo “apagão florestal”, que faz um paraleloà crise energética vivida no Brasil em 2001.A CHESF (Companhia Hidrelétrica do SãoFrancisco), em um estudo de 1993, mostraum potencial para o reflorestamento com

eucalipto na Região Nordeste de 50 milhõesde hectares, que correspondem, a umaeficiência de conversão de 20%, a 85 GW. Poroutro lado, Fearnside (1999) fez um prog-nóstico da área disponível no Brasil paraatividades florestais de 150 milhões de hecta-res para 2050. Atualmente o eucalipto dosbosques energéticos é utilizado principal-mente pela indústria de papel e celulose epara a fabricação de carvão vegetal para aindústria metalúrgica. Uma parte do euca-lipto plantado provavelmente se manteráintocado, com a finalidade de promover oseqüestro de quantidades expressivas decarbono atmosférico. Por isso seria razoávelsupor que apenas 5 % do eucalipto plantadoteria como objetivo a geração de eletricidade.Assim, teríamos um potencial que vai de4.000 até 8.000 MW em uma primeiraaproximação, considerando uma redução daprodutividade com o aumento da áreaplantada, por causa do plantio em terras commenor produtividade.

3.6 Plantas oleaginosas

O termo oleaginosa inclui um grandenúmero de plantas produtoras de óleo egraxas vegetais, com uma composição químicamuito variada. O Quadro 2 mostra as carac-terística e a produtividade das oleaginosas demaior interesse no Brasil (NOGUEIRA;LORA, 2003). Destaca-se por sua produtivi-dade a palma-africana ou dendê, já que apre-senta possibilidades, a médio e longo prazo,de substituição de quantidades consideráveisde derivados de petróleo. Da Costa (2004)apresenta os resultados de um estudo quepropõe o cultivo do dendê em regiões desma-tadas da região Amazônica. Para uma áreade 2 a 3,2 milhões de hectares indica-se umaprodução de óleo de palma entre 77,5 e 124 106

toneladas. Goldemberg e Coelho (2001)indicam um potencial técnico de geraçãode eletricidade a partir do óleo de dendê de35,97 MW, para um total dos Estadosprodutores.

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4 POTENCIAL TOTAL DE GERAÇÃO DE

ELETRICIDADE A PARTIR DE

BIOCOMBUSTÍVEIS NO BRASIL

O Quadro 3 resume os dados sobre o po-tencial técnico de geração de eletricidade a par-tir de biocombustíveis em diferentes setoresindustriais e agrícolas do Brasil. O potencialtécnico total na faixa de 13.833 a 27.872 MWcorresponde de 15 a 31% da potência atual-mente instalada. Esses valores constituem aprimeira aproximação e devem ser refinadoscom base em levantamentos futuros.

No Quadro 3 pode ser observada umadiferença considerável entre o valor dopotencial total instalado para geração deeletricidade a partir da biomassa, indicadopela Agência Nacional de Energia Elétrica(ANEEL) (2915 MW), e o obtido no Quadro 3(1.776 MW). Esse fato é conseqüência devárias centrais de co-geração já construídasno setor de açúcar e álcool, que, no entanto,não estão operando comercialmente. Deve-mos considerar ainda que os dados relativosà geração a partir de resíduos de madeira sãoincompletos.

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Valor Mínimo do Potencial

Valor Máximo do Potencial

Capacidade Atual No Fonte de Combustível

(MW)

1 Setor de açúcar e álcool (1) 3.500,00 8000,00 619,00

2 Setor de papel e celulose 900,00 1740,00 1067,00

3 Resíduos agrícolas 4.967,00 9272,00 30,00 (2)

4 Resíduos da indústria de madeira 430,00 860,00 60,00 (3)

5 Bosques energéticos 4.000,00 8000,00 -

6 Plantas oleaginosas 36,00 - -

Total 13.833,00 27.872,00 1.776,00

(1) Potencial referido à eletricidade excedente que pode ser fornecida à rede. (2) Centrais termelétricas que utilizam casca de arroz como combustível. (3) Dados sobre unidades implementadas pela empresa Koblitz (www.koblitz.com.br).

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Conteúdo do Óleo

Rendimento do Óleo Espécie

Origem do Óleo

(%)

Ciclo para Máxima

Eficiência

Meses de Colheita

(t ha-1)

Palma-africana ou dendê (Elaeis guineensis) Amêndoa 20 8 anos 12 3,0-6,0

Abacate (Persea americana) Fruto 7-35 7 anos 12 1,3-5,0

Coco (Cocos nucifera) Fruto 55-60 7 anos 12 1,3-1,9

Palma-babaçu ou coco-de-macao (Orbignya martiana) Amêndoa 66 7 anos 12 0,1-0,3

Girassol (Helianthus annus) Grão 38-48 anual 3 0,5-1,9

Canola (Brassica campestris) Grão 40-48 anual 3 0,5-0,9

Rícino (Ricinus communis) Grão 43-45 anual 3 0,5-0,9

Amendoim (Arachis hypogeae) Grão 40-43 anual 3 0,6-0,8

Soja (Glycine max) Grão 17 anual 3 0,2-0,4

Algodão (Gossypium hirsutum) Grão 15 anual 3 0,1-0,2

Fonte: Nogueira e Silva (2003).

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5 ESTADO-DA-ARTE DAS TECNOLOGIAS PARA ACONVERSÃO ENERGÉTICA DA BIOMASSA

5.1 Tecnologias de conversãodisponíveis

A biomassa, para sua ampla utilizaçãoou aproveitamento como fonte de energia,necessita passar por processos que transfor-mem a energia nela acumulada em forma decarbono e hidrogênio em combustíveissólidos, líquidos e gasosos de maior qualidadeou em eletricidade, formas de energia commaior espectro e facilidade de utilização.

Em princípio existem três tipos de pro-cessos de conversão, que são: físicos, termo-químicos e biológicos. A Figura 4 detalhaesses processos de conversão.

Entre os processos físicos temos aredução granulométrica, que permite a quei-ma em suspensão da biomassa em fornos ecaldeiras; e a briquetagem, que disponibilizaresíduos polidispersos para aquecimento dis-trital e preparo de alimentos. Por outro lado,temos a obtenção do óleo vegetal a partir deplantas oleaginosas e de biodiesel, subme-tendo este último a um processo de transes-terificação. Essa é uma opção consideradaextremamente atrativa para o Brasil. OMinistério de Minas e Energia instituiu oprograma de produção e uso racional de bio-diesel, que inclui a consolidação de váriasplantas pilotos de transesterificação, emuniversidades e centros de pesquisa, e a subs-tituição por biodiesel de 5% do diesel utilizadono País até 2010. Há previsão de que 50% do

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ProcessosTermoquímicos

Fonte: Nogueira e Lora (2003).

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diesel seja produzido a partir do óleo de rícino.Um pré-estudo econômico prevê um custodo biodiesel de 0,35 US$ L-1. O consumo dobiodiesel em alguns países já é expressivo,como é o caso da Alemanha, que consome700.000 t por ano; da França, que consome502.000 t por ano, e da Itália, com consumode 419.000 t por ano (DORNELLES, 2004).

Os processos termoquímicos incluem acombustão, gaseificação, pirólise e liquefação.A combustão da biomassa em caldeiras comgeração de vapor e de eletricidade por meiode turbinas a vapor é uma opção madura,tanto do ponto de vista técnico como comer-cial. Essa opção é geralmente aplicada paracapacidades superiores a 1-2 MW, devido àdrástica redução dos custos de geração paraessa escala. Alguns fabricantes estão come-çando a ofertar unidades com potencias apartir de 400 kW. Os principais problemasdos sistemas de combustão e ciclo a vapor sãoa sua baixa eficiência e o seu alto custo deinvestimento e de geração. Esses sistemasapresentam eficiência um pouco maiorque 20% e um investimento específico de1.000 US$ kW-1, valores estes que variamcom a potência instalada. Na Alemanhaexige-se 25% de eficiência em projetos degeração com biomassa.

Uma opção interessante é a implemen-tação do ciclo Rankine, utilizando um fluídode trabalho orgânico no lugar de água (deno-minado “Organic Rankine Cycle” - ORC). Nacidade de Lienz, na Áustria, opera desde 2002uma planta de co-geração à biomassa queutiliza esse sistema. Sua potência elétrica etermelétrica é de 1.000 kWe e 4.400 kWt, comeficiência de 18 e 80%, respectivamente(OBERNBERGER et al., 2003).

A gaseificação da biomassa consiste nasua conversão em um gás combustível àalta temperatura, por meio da sua oxidaçãoparcial. Sua vantagem principal está napossibilidade de acionar com biomassa sólidamotores de combustão interna, turbinas a gás

e, no futuro, células a combustível. Com a ga-seificação acoplada a turbinas a gás em ciclocombinado com turbinas a vapor, é possívelduplicar a eficiência dos ciclos a vapor queoperam com biomassa. De todas as tecno-logias de conversão energética da biomassa,a gaseificação é considerada a de maiorpotencial no que diz respeito à geração deeletricidade. Neste caso, para a conversãotérmica da biomassa utiliza-se só 25% dovolume de ar teoricamente necessário para acombustão (ar estequiométrico). O podercalorífico do gás obtido como resultado dagaseificação da biomassa está na faixa entre4 e 13 MJ m-3. Os menores valores corres-pondem à gaseificação com ar e os maiores, àgaseificação com vapor-d‘água ou oxigênio.Este poder calorífico é várias vezes menor queo do gás natural, por isto o gás resultante dagaseificação da biomassa recebe o nome degás pobre. Um aspecto importante a ressaltaré a necessidade de limpeza deste gás, consi-derando que ele contém alcatrão, partículassólidas e metais alcalinos em quantidadessuperiores às permitidas pelos fabricantes demotores de combustão interna, turbinas a gáse células a combustível. A limpeza do gás podeser feita a quente, utilizando filtros cerâ-micos, ou a frio, com lavadores de gás.

A maioria dos projetos de geração empequena escala, desenvolvidos durante ascrises de energia das décadas de 1970 e80, com base na tecnologia de gaseificação,fracassou como conseqüência de projetostecnicamente imaturos, da pouca preparaçãodo pessoal de operação, da infra-estrutura demanutenção precária, do alto custo dosequipamentos, do alto valor das emissões, daremuneração inadequada da energia e doinsuficiente apoio institucional (STASSEN,1995; KNOEF, 2002). Atualmente existem nomundo vários projetos de gaseificação bem-sucedidos (SILVA; ANDRADE, 2004). Osaltos preços de petróleo devem ter um efeitoincentivador sobre as atividades de pesquisae desenvolvimento em gaseificação debiomassa, no mundo e no Brasil.

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É considerado bastante promissor oacoplamento de gaseificadores a tecnologiasde geração avançada, como motores Stirling,microturbinas a gás e célula combustível. Osmotores Stirling já são fabricados comer-cialmente e podem ser acionados por gásnatural ou GLP. As pesquisas para sua utili-zação com biocombustíveis são lideradas pelaUniversidade Técnica da Dinamarca – DTU,podendo operar com combustão e gaseifi-cação de biomassa (CARLSEN et al., 2002).A empresa Stirling Danmark, atualmenteproprietária e comercializadora da tecnologiadesenvolvida na DTU, em parceria com aBIOS da Áustria, projetou e testou um con-junto fornalha/motor Stirling de 35 kWe, quejá acumula mais de 5.000 horas de operação(OBERNBERGER, 2004)

Dois projetos estão em andamento com oobjetivo de desenvolver módulos gaseificadorde biomassa/microturbinas a gás: o denomi-nado Flex-Microturbine (FLEXENERGY,2004), nos Estados Unidos, e o Green GasifierGenerator, na Austrália (AUSTRALIANGREENHOUSE OFFICE, 2003).

Os estudos da utilização de gás de bio-massa como fonte de hidrogênio para célulascombustíveis encontram-se no início das pes-quisas teóricas e experimentais (ECN, 2002;ANDRIES et al., 2003).

A pirólise é a degradação térmica da bio-massa em ausência de oxigênio que gera trêsprodutos: gases combustíveis, líquidos (ácidopirolenhoso e bióleos) e carvão vegetal. Emprincípio é possível obter produtos seme-lhantes à gasolina e ao diesel, além de dezenasde produtos químicos de valor comercial. Ogrande problema é a viabilidade econômica.Finalmente, a liqüefação permite obter umproduto semelhante ao diesel pressurizado emfase líquida.

A via biológica de conversão é aplicávelà biomassa em fase líquida com baixa con-centração. Nessa tecnologia se enquadram abiodigestão e a fermentação alcoólica. É

possível também obter álcool a partir dobagaço ou madeira, depois de um processode hidrólise. O programa brasileiro deutilização do álcool carburante-PROALCOOL– é considerado o maior programa de bioe-nergia do mundo. Atualmente toda a gasolinano Brasil é misturada com álcool, em umaconcentração de 20-25%. Os automóveisbicombustíveis, que começaram a sercomercializados em 2003, têm dado um novoincentivo a esse programa. Hoje, 20% dosautomóveis que saem das fábricas brasileirassão bicombustíveis, e espera-se que em 2022a terceira parte da frota de 30 milhões deveículos esteja constituída por esse tipo deveículo. Como resultado da assinatura doProtocolo de Kyoto e dos altos preços dopetróleo, a produção de álcool no Brasil deveduplicar e as exportações devem passar de 1,9bilhão de litros para 10 bilhões num períodode três anos (ÉPOCA, 2004)

Para a análise de potenciais opçõestecnológicas de conversão de biomassa emeletricidade, é conveniente classificar osempreendimentos atendendo à sua potênciaelétrica. O Quadro 4 resume as informaçõessobre as tecnologias disponíveis e sua matu-ridade técnica e comercial para cada faixa depotência.

6 PROJETOS EM EXECUÇÃO NO BRASIL

6.1 O Programa de incentivo às fontesalternativas de energia - PROINFA

O governo brasileiro, com o objetivo deestimular a implementação de projetosrelacionados com o uso de fontes alternativasde energia, propôs o PROINFA, que entrouem vigor através da Lei no 10.438 de 26 deabril de 2002 e foi revisado pela Lei no 10.762,de 11 de novembro de 2003. O PROINFA tempor objetivos a diversificação da matrizenergética brasileira e a busca de soluçõesregionais com a utilização de fontes reno-váveis de energia. A meta desse programa é

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implantar 3.300 MW de capacidade, eminstalações de geração com início de operaçãoprevisto para até 30 de dezembro de 2006. Acompanhia estatal Eletrobrás garante acompra da eletricidade produzida por umperíodo de 20 anos dos empreendedoreshabilitados.

O Programa Luz para Todos pretendeconseguir a universalização da energia elé-trica até 2008. Neste período a energiaelétrica deve chegar às casas de 12 milhõesde brasileiros, a um custo de 3,3 bilhões dedólares. Este programa será executado emcolaboração com as empresas de eletricidadee o governo dos Estados. São contempladastrês alternativas tecnológicas: a extensão darede, os sistemas de geração descentralizadoscom redes de distribuição isoladas e ossistemas de geração individuais. Atualmente,algumas comunidades isoladas da regiãoAmazônica utilizam geradores a diesel comum custo médio de 200 a 285 US$ MWh-1; sefosse no sistema interconectado o custo de

geração estaria em torno de 30 US$ MWh-1.

a) Projeto de geração com motores diesel éóleos vegetais in natura PROVEGAM

Este projeto está sendo conduzido peloCentro Nacional de Referência em Biomassa– CENBIO e constitui uma alternativa parao fornecimento de eletricidade a comunidadesisoladas não-eletrificadas, utilizando comocombustível óleo de dendê (COELHO et al.,2004b). O PROVEGAM foi implementado emVila Soledade, município de Moju, no Estadode Pará. Essa comunidade tem um total de700 habitantes. Anteriormente ao projeto acomunidade dispunha de um motor dieselantigo. A situação ficou mais difícil por causado alto custo do combustível diesel.

Nesse projeto utilizou-se um motor dieselmodelo T de 6 cilindros em linha, com 137 cvde potência, resfriado por radiador e com umsistema de injeção mecânica BOSCH. O motorestá acoplado a um gerador WEG, trifásico,com regulador de tensão. A fim de possibilitar

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Maturidade Tecnológica

Viabilidade Comercial

Faixa de Potência

(kW) Tecnologia(1)

A M B A M B Comentários

Combustão / ciclo a vapor X X Alto custo e baixa eficiência de conversão

Gaseificação / MCI X X Poucas opções comerciais e projetos com êxito

Gaseificação / MTG X X Projetos de pesquisa em andamento

Gaseificação / MS X X Projetos de pesquisa em andamento

Gaseificação / CC X X Projetos de pesquisa em andamento

5-200 kW

Biodiesel / MCI X X Início de comercialização. Baixa qualidade do biodiesel.

Combustão / ciclo a vapor X X Alto custo e baixa eficiência de conversão

Gaseificação / MCI X X Algumas unidades demonstrativas /comercial 200–1.000

Gaseificação / CC X X Modelagem matemática

Combustão / ciclo a vapor X X Requer um combustível de baixo custo

Gaseificação / TG (Tecnologia BIG/GT)

X X Algumas unidades demonstrativas. Alta eficiência. > 1.000

Gaseificação / CC X X Modelagem matemática

(1) MCI- Motor de combustão interna; MTG, microturbina a gás; MS-Motor Stirling; CC-célula a combustível; TG-turbina a gás.

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o uso direto de óleo vegetal no motor, foicomprado um módulo de adaptação de fa-bricação alemã, cuja principal função é opreaquecimento do combustível.

Em pouco tempo observou-se uma perdaconsiderável de potência no motor e entu-pimentos, devido à solidificação da parte maisdensa do óleo vegetal em determinados pontosdo equipamento, inclusive utilizando dieseldurante a parada e partida do mesmo. Foidesenvolvido um novo módulo de conversãodo motor para óleo vegetal (Figura 6). Durantea operação do motor a temperatura do óleode dendê na saída do tanque de preaqueci-mento manteve-se entre 70 e 75 oC. Com o

novo módulo de conversão o gerador dieselfuncionou com ótimo desempenho e potência.

Às 500 horas de operação os injetoresapresentavam uma formação de depósitos sóum pouco mais intensa que a correspondenteao mesmo número de horas de operação comdiesel. Às 750 horas de operação foram subs-tituídos os injetores, os cabeçotes do motor ea bomba de injeção. Os demais componentesdo motor estavam em perfeitas condiçõespara continuar operando com óleo vegetal.

A disponibilidade de energia de formacontínua e de boa qualidade possibilitouo investimento, pelos habitantes da Vila

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Empresa UsinaTermelétrica Potência

(kW)

Cooperativa Agroindustrial de Rubiataba Ltda. (Estado de Goiania) UTE Cooper Rubi 15.600,00

CRV Industrial Ltda. (Estado de Goiania) UTE CRV 16.000,00

Goiasa Goiatuba Álcool Ltda. (Estado de Goiania) UTE Goiasa Goiatuba Álcool 42.520,00

Nova Geração Comércio e Serviços Ltda. (Estado de Goiania) UTE Nova Geração 25.000,00

Usina Goianésia S.A. (Estado de Goiania) UTE Goianésia 4.800,00

Dasa- Destilaria de Álcool Serra dos Aimores S.A. (Estado de Minas Gerais) UTE Dasa 5.000,00

USA – Usina Santo Angelo Ltda. (Estado de Minas Gerais) UTE Santo Angelo 22.000,00

Usina Caeté S.A. (Estado de Minas Gerais) UTE Delta UTE Volta Grande

35.000,00 30.000,00

Cia Agrícola Sonora Estância (Estado de Mato Grosso do Sul) UTE sonora 16.000,00

Eletron Centrais Elétricas Ltda. (Estado de Mato Grosso do Sul) UTE Santa Olinda UTE Brasilândia

5.400,00 8000,00

Giasa S.A. (Estado de Paraíba) UTE Giasia S.A. 20.000,00

Energia Ambiental Ltda. (Estado de Pernambuco) UTE Energia Ambiental 30.000,00

Off Light Automação e Conservação Ltda. (Estado de Paraná) UTE Ecoluz 10.000,00

Usina de Açúcar Santa Terezinha Ltda. (Estado de Paraná) UTE Santa Terezinha 27.540,00

Winimport S.A. (Estado de Paraná) UTE Winimport 7.000,00

Usinas Estivas S.A. (Estado de Rio Grande do Norte) UTE Estivas 23.000,00

Vale Verde Empreendimentos Agrícolas Ltda., RN (Estado de Rio Grande do Norte) UTE Baia Formosa 32.000,00

Destilaria Carvão Ltda., (Estado de Sergipe) UTE Iolando Leite 5.000,00

Cosan S.A. Ind. E Comércio (Estado de São Paulo)

UTE Diamante UTE Ipaussu UTE Santa Helena UTE São Francisco

33.000,00 34.000,00 28.650,00 23.800,00

Usina Cerradinho Açúcar e Álcool S.A. (Estado de São Paulo) UTE Cerradinho 50.000,00

Usina Mandú S.A. (Estado de São Paulo) UTE Mandú 20.200,00

Potência Total 569.510,00

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Soledade, em máquinas para o processamentode açaí, uma das principais fontes de alimen-tação das comunidades rurais do Pará, e quetem um enorme potencial de comercialização.

b) Projeto com gaseificação da biomassa-GASEIFAMAZ

O projeto GASEIFAMAZ - “ Comparaçãoentre as tecnologias existentes para a gasei-ficação de biomassa” - é uma parceria entreo CENBIO – Centro Brasileiro de Referênciaem Biomassa, BUN - Biomass Users Networkof Brazil-, IPT – Instituto de Pesquisas

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1 - Tanque principal de óleo vegetal, 2- bomba, 3- filtro, 4- tanquede aquecimento do óleo, 5- tanque de diesel, 6- válvula detrês vias, 7- reservatório da mistura e 9- motor diesel

1 - Main vegetable oil tank, 2- pump, 3- filter, 4- oil heatingtank, 5- diesel tank, 6- three ways-valve, 7- mixture reservoir,9- Diesel engine).

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Tecnológicas do Estado de São Paulo – e aUA – Universidade do Amazonas. O objetivoprincipal do projeto é avaliar a tecnologiaindiana de gaseificação em leito fixo depequena escala, visando o fornecimento deenergia elétrica de forma sustentável a comu-nidades isoladas da região Amazônica. Comeste objetivo foi importado um sistema degaseificação de 20 kW do Instituto Indianode Tecnologia. Durante os testes no IPTobteve-se um valor médio do poder caloríficosuperior-PCS – de 5,7 MJ Nm-3, para umconsumo de biomassa de 18 kg h-1.

Esse sistema de gaseificação foi instaladona comunidade de Aquidabam, município deManacaparu, no Estado de Amazonas, quetem 180 casas e 700 habitantes. Um dosprincipais produtos dessa comunidade é ocupuaçu, uma fruta da região Amazônica,atualmente vendida in natura, com poucovalor agregado. A instalação do sistema degaseificação vai permitir a formação de umaagroindústria local para a venda de polpade cupuaçu, o que vai permitir melhorar osingressos da comunidade e, conseqüente-mente sua qualidade de vida.

c) Projetos utilizando o ciclo a vapor

Central Termelétrica de Lajes

A central termelétrica UCLA, operadapela Tractebel Energia (Figura 8), tem uma

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potência instalada de 28 MW, com umageração de vapor na caldeira de 25 t h. Utilizacomo combustível resíduos de madeira. Omunicípio de Lajes é um importante pólomadeireiro de Brasil, e a disposição dosresíduos do processo de benefício da madeiraestava causando impactos ambientaisnegativos. Os principais parâmetros técnicosdesta central estão no Quadro 6.

Central Termelétrica de Piratini

Esta central termelétrica foi projetada econstruída pela empresa Koblitz, que é líderno Brasil em empreendimentos de co-geração

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Parâmetro Unidade ValorPotência elétrica da central MW 28Eficiência da central % 21Custo do investimento R$ (106) 85Parâmetros do vapor

TemperaturaPressão

oCMPa

4856,5

Vazão de vapor t h-1 120Eficiência da caldeira % 85Consumo específico de biomassa T vapor/t biomassa 2,21Consumo específico de vapor T vapor/MWt 3,85

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e geração com biomassa (Figura 9). Estálocalizada no sul do País, no município dePiratini, Estado de Rio Grande do Sul, e estáem operação desde 2002. Tem uma potênciainstalada de 10 MW e consome anualmentecerca de 142 mil toneladas de resíduos demadeira para produzir, aproximadamente,71 mil megawatts hora-1. O custo do investi-mento foi de R$ 22 milhões (KOBLITZ, 2004).A Figura 9 mostra fotografias com uma vistageral da central e da caldeira.

d) Biogás de aterro sanitário

Este projeto está sendo realizado emconjunto pelo CENBIO e a empresa de águasdo Estado de São Paulo (SABESP) (COELHOet al., 2004a). Na Estação de Tratamento deEfluentes de Baureri, Estado de São Paulo,foi instalada uma microturbina a gás de30 kW de potência elétrica, fabricada pelaCAPSTONE. Essa microturbina opera combiogás, resultante da digestão anaeróbica daságuas residuais domésticas. O projeto iniciou-se em dezembro de 2002 e tem como objetivoavaliar a possibilidade de utilização dasmicroturbinas em plantas de tratamento deefluentes de pequena capacidade. Além disso,é realizada a comparação entre as emissõesde motores de combustão interna e as dasmicroturbinas. No Quadro 7 estão os dadossobre a composição, o poder calorífico e adensidade relativa do biogás utilizado nostestes. Constata-se que o poder calorífico éaproximadamente a metade do correspon-dente ao gás natural, mais de 4-5 vezes maiorque o gás obtido como produto da gaseificaçãotermoquímica da biomassa.

Os contaminantes presentes no biogásafetam o desempenho do motor, como descritoa seguir:

• Umidade: pode comprometer a operaçãodas partes internas da microturbina, alémde diminuir o poder calorífico do biogás.Para redução da umidade foram utilizadosfiltros coalescentes e secadores refrige-rados antes e depois do compressor.

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Parâmetro Unidade Valor

Metano (CH4) 66,5

Dióxido de carbono (CO2) 30,5

Oxigênio (O2) + Nitrogênio (N2) 0,5

Umidade (H2O) 2,5

Ácido sulfúrico (H2S) 134 ppm o 0,01%

LHV 22,195 kJ m-3

Densidade relativa 0,86 a 15 ºC 101,325 kPa

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• H2S: Pode danificar as partes internas dosecador, do compressor e da turbina, devidoa seu caráter corrosivo. Para remoção doH2S, utilizou-se um filtro de carvão. O H2Sdissolvido na água foi removido nos filtroscoalescentes e secadores. A maioria dosdigestores anaeróbicos produz um gás com0,3-2% de H2S.

• A presença de ar nas tubulações reduz opoder calorífico do gás.

• Siloxina: Foi detectada a sua presença emconcentrações de alguns ppb no biogás.Trata-se de um composto de sílice, deri-vado dos cosméticos, que pode, a longoprazo, provocar problemas nos rotores dasmicroturbinas nos motores de combustãointerna (formação de grãos de sílice a altatemperatura).

Os resultados das medições da compo-sição dos gases de exaustão mostraram queas concentrações de NOx foram de aproxima-damente 1 ppm, valor este muito menor queo correspondente aos motores de combustãointerna que operam com diesel.

7 TRABALHOS DO NÚCLEO DE EXCELÊNCIA EM

GERAÇÃO TERMELÉTRICA E DISTRIBUÍDA -NEST DO INSTITUTO DE ENGENHARIA

MECÂNICA DA UNIFEI NO TEMA DA

BIOENERGIA

a) Combustão

Ajuste da combustão e medição daconcentração de contaminantes gasosos (NOxe partículas) em caldeiras a vapor, parabiomassa.

Software Steam Boilers CalculationsSBC: realiza o cálculo térmico e aerodinâmicode caldeiras de vapor que queimam bagaçode cana. A metodologia de cálculo corres-ponde à proposta no método normativo russopara os cálculos térmico e aerodinâmico decaldeiras a vapor. O esquema composto poruma fornalha, dutos de ar e gases, tubos deágua e vapor, ventiladores, sopradores de

fuligem e uma chaminé pode ser montado apartir de diferentes elementos, superfícies edutos, utilizando uma interfase amistosa.Uma descrição do software SBC pode serencontrado no “site” www.nest.unifei.edu.br(Figura 10).

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- Avaliação da temperatura ótima dosgases de exaustão em caldeiras para bagaço.Foram consideradas quatro opções diferen-tes de modificação construtiva da caldeiraAPU 50, fabricada pela empresa CaldemaEquipamentos Industriais Ltda., assim comodiferentes cenários para os preços do bagaçoe de comercialização do excedente de eletri-cidade.

- Projeto, construção e testes do sistemasfornalha/motor Stirling para operação emregiões isoladas (Projeto CTNERG/CEMIG)(Figura 11).

b) Gaseificação

- Estudo do processo de gaseificação e dodesempenho de gaseificadores de leito flui-dizado e de fluxo cruzado.

- Estudo de limpeza catalítica do gáspobre.

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- Montagem de um sistema gaseificador/MCI de 10 kW de potência elétrica

- Avaliação experimental da operação deuma microturbina de 30 kWe, operando commisturas de gás de gaseificação de biomassa/gás natural. Avaliação das modificaçõesnecessárias da microturbina para operaçãosó com gás de gaseificação da biomassa.

- Avaliação de sistemas motor Stirling/gaseificador de biomassa.

- Modelação matemática e avaliaçãoexperimental de uma célula SOFC de 5 kWee de sistemas híbridos com microturbinas.Avaliação da possibilidade e dos requeri-mentos para o acoplamento desta célulaSOFC a um gaseificador de biomassa.

Biodiesel

- Testes de queima de diferentes misturasdiesel/biodiesel e de biodiesel puro em micro-turbinas a gás.

Álcool

- Estudo teórico-experimental das tecno-logias de biodigestão e combustão para o tra-tamento das vinhaças obtidas como resíduoda produção de álcool.

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Co-geração e créditos de carbono.

- Desenvolvimento de software paraavaliação do desempenho e da viabilidadeeconômica de sistemas de cogeração.

- Avaliação do impacto econômico dacomercialização de créditos de carbono emprojetos de co-geração e geração de eletri-cidade a partir da biomassa.

- Otimização de projetos de diversificaçãoprodutiva na indústria de açúcar e álcool.

8 CONCLUSÕES

- O Brasil é um dos países que mais temavançado na implementação de programasde uso da energia da biomassa, especialmenteno que se refere à “biomassa moderna”.

- Os projetos demonstrativos e comerciaisem implementação no Brasil devem oferecersubsídios importantes para a superação dasbarreiras técnicas e comerciais que dificultama implementação extensiva da bioenergia.

- A gaseificação da biomassa possui umamplo espectro de aplicações e deve constituira base da difusão da utilização da “biomassamoderna”. Faz-se necessária a concentra-ção de esforços e recursos para a entradadefinitiva desta tecnologia na sua fasecomercial.

- Os projetos em execução no NESTabrangem quase todo o espectro das poten-ciais aplicações da bioenergia com tecnologiasavançadas. Pretende-se a realização de cursose treinamentos em tecnologias avançadaspara a bioenergia, utilizando a infra-estruc-tura laboratorial do NEST.

9 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Dra. SuaniCoelho (CENBIO) e à empresa TractrebelEnergia, pelo fornecimento de dados einformações sobre projetos em execução nocampo da bioenergia.

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