Indicadores energéticos

Os indicadores energéticos permitem avaliar as melhorias no desempenho pela integração de processos e obtenção de biocombustíveis na comparação dos dois cenários com a cana-de- açúcar como principal matéria-prima para a produção de bioetanol e biobutanol.

A eficiência global (η) é a relação entre energia nos produtos através da conversão da matéria- prima neste caso a cana-de-açúcar. Consequentemente, uma diversificação dos produtos utilizáveis oferece maior energia útil disponível no processo. O que significa que a integração dos processos para a transformação da matéria-prima visando a utilização dos resíduos produz um aumento na eficiência global do processo.

Para o cálculo da eficiência global dos cenários foi calculada a energia contida em cada um dos produtos derivados da transformação da cana-de-açúcar. Estes indicadores se encontram descritos na Tabela 39 para cada cenário e correspondem a: eletricidade excedente gerada, os biocombustíveis (bioetanol e biobutanol) e os subprodutos tais como a acetona, o bagaço e a torta de lignina.

Tabela 39 – Produtos obtidos em cada cenário para o cálculo da eficiência. Parâmetros utilizados no cálculo da

eficiência global dos cenários Cenário 1 Cenário 2

Bioetanol anidro (l/tc) 78,0 79,2

Biobutanol (l/tc) - 17,0

Acetona (l/tc) - 4,7

Torta de lignina (kg/tc) (45% em massa) - 80

Bagaço excedente (kg/tc) 39,0 -

Eletricidade gerada (kWh/tc) 174,5 146,5

Estes produtos são derivados da transformação da matéria-prima, neste caso a cana-de-açúcar. A cana é caracterizada pela divisão em três componentes básicos globais, os açúcares em concentração mássica de 150 kg/tc, as fibras dos colmos – o bagaço - em concentração mássica de 144 kg/tc e a palha em concentração mássica de 70 kg/tc. Este conjunto de compostos que

151 conformam a cana tem uma energia primária total de 6.180 MJ/tc (LEAL, 2007), a qual depois do processo de conversão obtém-se a energia secundária útil nos produtos etanol anidro e eletricidade que correspondem a uma eficiência global de apenas 30% (LEAL, 2010).

A eficiência global do cenário 1, para as condições avaliadas, corresponde a 41%, devido ao bioetanol produzido e o maior potencial de eletricidade gerada de 174,5 kWh/tc. Enquanto ao cenário 2, a integração dos processos reflete a maior diversificação dos produtos, bioetanol, biobutanol, acetona, torta de lignina e eletricidade com potencial de geração de 146,5 kWh/c, permitindo o aumento da eficiência de conversão da cana-de-açúcar em produtos, atingindo até 58,2%.

Este análise reflete como a diversificação dos produtos no processo permite uma maior utilização de energia primaria na sua transformação em energia secundária útil.

A Figura 59 mostra um diagrama de Sankey com a distribuição da energia primaria da cana-de- açúcar e os processos de conversão dos principais produtos. O esquema mostra que os biocombustíveis produzidos, bioetanol e biobutanol representam uma energia secundaria útil em torno de 34,4%.

Os subprodutos utilizados para suprir a geração de energia térmica do processo representam uma energia de: torta de lignina em torno de 6,3%, o bagaço para caldeira em 10,5% e palha em 18%. Uma parte da energia convertida em vinhaça (15%) diversos compostos envolvidos que vão ser reutilizados nos cultivos.

A integração dispõe de produtos em menor quantidade: hidrolisado de pentose (em torno de 8%) e a acetona (2,2%). A energia útil disponível nestes produtos pode ser aproveitada em outros processos de conversão não descritos neste trabalho, o que forneceria um aumento positivo na eficiência global da integração dos processos.

152 Figura 59 – Diagrama de Sankey da conversão da energia primaria da cana em energia útil dos

produtos.

O segundo indicador (a produtividade energética líquida) considera a quantidade de energia útil que foi transformada da cana-de-açúcar. A energia disponível no cultivo de cana-de-açúcar é calculada em relação à produtividade do cultivo no campo vezes a energia primária da cana-de- açúcar. O parâmetro da produtividade do cultivo é em torno de 68,9 tc/ha (LEAL, 2010) e o parâmetro da energia primária utilizado no cálculo da eficiência global sendo de 6.180 MJ/tc.

O cálculo do indicador de produtividade energética depende da eficiência global do processo. Por esta razão, a produtividade deve ser multiplicada pela eficiência global obtida em cada um dos cenários (Tabela 40).

153 Tabela 40 – Parâmetros utilizados para o cálculo da produtividade energética.

Energia primária cana-de-açúcar Produtividade do cultivo Eficiência global Cenário 1 Cenário 2 6.180 MJ/tc 68,9 tc/ha 41% 58,2%

No cenário 1, uma eficiência global de 41% corresponde a uma produtividade energética líquida de 174 GJ/ha. A integração dos processos no cenário 2, com uma maior eficiência na conversão de energia útil (58,2%) e a utilização de 100% do bagaço como combustível de caldeira e como matéria prima para a produção de biobutanol, permitiu o aumento na produtividade energética do cultivo de cana-de-açúcar para cerca de 248 GJ/tc.

Além da eficiência global nos cenários, a diversificação dos produtos também exerce um aumento na produtividade energética do cultivo de cana-de-açúcar, já que o maior aproveitamento e conversão dos componentes da cana-de-açúcar, permitirá uma maior disponibilidade de energia secundária útil nos produtos.

A Tabela 41 relaciona os principais resultados dos indicadores de energia avaliados nesta análise de cenários.

Tabela 41 – Parâmetros energéticos como resultado da análise em cada um dos cenários.

INDICADORES ENERGÉTICOS Cenário 1 Cenário 2

Capacidade da caldeira (kg vapor/tc) 952 952

Utilização do bagaço (%) 87 100

Eletricidade consumida no processo (kWh/tc) 16 35

Eletricidade gerada (kWh/tc) 174 146

Eficiência global (η) (%) 41 58

Produtividade energética líquida por hectare (GJ/ha) 174 248

O cultivo de cana-de-açúcar disponibiliza uma energia de 426 GJ/ha, dos quais 58% são transformados em energia útil nos produtos. Nesta análise os produtos palha e vinhaça, reutilizados nos mesmo cultivo, não são relacionados mas contribuem na qualidade da cana do

154 ponto de vista de disponibilidade de energia primária. Este trabalho não define a quantidade de energia que destes produtos são reaproveitados no campo, mas mostra a quantidade de energia útil retornada ao cultivo. A energia retornada ao campo da vinhaça é de 15% (em torno de 64 GJ/há).

Outro do produto relacionado na análise, mas não utilizado como parâmetro de cálculo é o hidrolisado de pentose, já que neste trabalho o hidrolisado de pentose é considerado como resíduo e não contribui como energia útil. A energia disponível no hidrolisado foi de 8% (equivalente a 34 GJ/ha). O manuseio e disposição deste resíduo deve ser analisado junto aos efluentes do processo. A possível transformação deste produto por fermentação de pentoses em bioetanol, pode contribuir no futuro próximo ao acréscimo da eficiência da planta.

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