Mudanças Climáticas

As mudanças climáticas ocorrem como resultado da variabilidade intrínseca dos sistemas climáticos e da ação de fatores externos, tanto naturais como antropogênicos. As emissões de gases de efeito estufa tendem a aquecer excessivamente o clima da terra. O relatório 4 do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas – IPCC, reconhece como altamente provável que o aquecimento global seja o resultado líquido das atividades humanas (IPCC, 2007).

Um dos principais gases de efeito estufa é o CO2. No último século, as concentrações atmosféricas de CO2 atingiram os seus níveis mais altos, como se observa na Figura 1.3 (Conn, 2006). Desde a época pré-industrial, as concentrações atmosféricas dos gases de efeito estufa têm aumentado como conseqüência das atividades humanas, este incremento é devido, principalmente, ao emprego insustentável dos combustíveis fósseis e as mudanças no uso da terra (IPCC, 2007).

As variações esperadas no clima incluem mudanças na intensidade e distribuição das precipitações, elevação do nível dos oceanos e um crescente aumento de freqüência e intensidade de fenômenos climáticos extremos.

De acordo com o IPCC (2007 a) a demanda de biocombustíveis para o setor de transportes será de 45-85 EJ de biomassa primária ou 30-50 EJ de combustíveis. Esta mesma fonte indica um potencial global de fornecimento de biomassa, para o ano de 2050, de 125- 760 EJ. Isto faz com que o uso energético da biomassa, na suas diferentes variantes, deva ser considerado como um elemento importante para a mitigação do efeito estufa.

Figura 1.3 Variações na temperatura global do planeta (IPCC, 2007).

Dentro das alternativas energéticas atuais para um desenvolvimento sustentável e segurança energética tem-se o emprego dos biocombustíveis no setor de transportes, sendo o biodiesel e o bioetanol os mais conhecidos e utilizados.

Com relação ao etanol, este foi o combustível inicialmente previsto para os primeiros motores a Ciclo Otto desenvolvidos no início da indústria automotiva (Camus e Laborda, 2006). O desenvolvimento dos derivados de petróleo, com ampla oferta de diferentes combustíveis a baixo custo, tornou essas alternativas desinteressantes naquela época.

Atualmente muitas das dificuldades técnicas decorrentes de queima de biocombustíveis em motores a combustão interna, as quais apareceram nas tentativas iniciais de utilização destes combustíveis, foram resolvidas, o que os torna uma alternativa viável para substituição parcial dos combustíveis fósseis na indústria automotiva.

O bioetanol é definido pela U.S DOE (2007) como um combustível alternativo a base de álcool, produzido por fermentação e destilação de matérias-primas com alto conteúdo de açucares ou amido. Além destas matérias-primas o etanol pode ser obtido a partir da ―biomassa celulósica‖, oriunda de árvores e ervas.

Qualquer quantidade de etanol pode ser misturado com a gasolina (American Coalition for Ethanol, 2007), embora as misturas mais utilizadas são E10 e E85, as quais contém uma concentração de 10% e 85% de etanol, respectivamente. Pode-se empregar 100% de etanol como combustível, mas, da mesma forma que a mistura, 100% de E85 só pode ser empregado em automóveis multicombustíveis (flex-fuel).

Atualmente o etanol é utilizado como combustível, principalmente no Brasil, e como um aditivo para o aumento da octanagem da gasolina em países como Estados Unidos, Canadá e Índia (Agarwal, 2006).

Segundo dados da IEA (2007) espera-se que a participação dos biocombustíveis no setor de transportes aumente dos atuais 1% até valores próximos de 7%, em 2030. Isto representa um aumento equivalente a 146,7 Mtep (Milhões de toneladas equivalentes de petróleo), em 2004, até 155,5 Mtep em 2030. O maior incremento no consumo de biocombustíveis vai ocorrer nos Estados Unidos, Europa, Ásia e Brasil. O incremento no consumo nas demais regiões será modesto.

Na atualidade o etanol Brasileiro tem apresentado as maiores vantagens ambientais e econômicas com relação a sua produção e utilização de terras férteis para sua produção (Blottnitz e Curran, 2006), (Clemente, 2007). Embora o novo ciclo de expansão na indústria canavieira, com expectativas de crescimento sem precedentes da produção, tanto de açúcar como de etanol, faz com que o crescimento da indústria de etanol de cana-de-açúcar necessite de uma utilização racional de recursos, já que isto permitiria aumentar e garantir a sustentabilidade deste importante setor industrial do país.

Neste sentido, o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento estabeleceu em seu plano nacional de agro-energia (2006-2011) entre suas prioridades de atuação na cadeia produtiva do etanol os seguintes aspectos:

Desenvolver alternativas de aproveitamento integral da energia da planta de cana-de- açúcar, com melhoria dos processos atuais ou desenvolvimento de novos processos.

Desenvolver tecnologias poupadoras de insumos e de eliminação ou mitigação de impacto ambiental.

Definidas as prioridades de cada cadeia produtiva, propõe-se uma seqüência de eventos de pesquisa, concentrados, porém não restritos, nas seguintes ações:

Desenvolvimento de estudos de ciclo de vida e balanço de energia de sistemas de produção de cana-de-açúcar, com objetivo de reduzir o input energético dos sistemas e a substituição de fontes de carbono fóssil por fontes renováveis.

Melhoria de processos com ganhos de racionalização de uso de água e outros insumos.

Melhoria dos processos de co-geração de energia.

O Ministério de Relacões Exteriores (MRE, 2007) também destaca a importância no aumento da eficiência energética e do uso racional dos recursos empregados no ciclo de produção que devem ter os biocombustíves, como o etanol, como primeiro passo na ampliação de sua utilização.

Dada a importância da indústria sucroalcooleira, diversos trabalhos a respeito têm sido desenvolvidos com o objetivo de analisá-la sob ângulos diferentes nos últimos anos. Alguns estudos são mais concentrados nas opções de tecnologias de cogeração, no potencial das mesmas, e em suas viabilidades econômicas (Coelho, 1992; Belotti e Moreau, 1995; Walter, 1994; Albert-Thenet 1991, Lora et al., 2000; Lobo et al.,2007; Pistore e Lora, 2006), enquanto outros utilizam ferramentas ou métodos de otimização, como a programação dinâmica, análise exergética e termoeconômica (Paz e Cardenas, 1997; Barreda, 1999; Prieto e Nebra, 2002; Modesto et al., 2006; Pellegrini e Oliveira, 2006; Ensinas et al., 2006; Ensinas etal., 2007; Lora et al., 2007), e análise ―pinch‖ (Pfeffer et al., 2007; Ram e Banerjee, 2003; Ficarella e Laforgia, 1999; Higa, 2003). As áreas de estudo das usinas também são diferentes, já que para alguns trabalhos o processo de produção é o ponto principal a ser analisado (Higa, 1999; Fernandez e Nebra, 2003; Pellegrini e Oliveira, 2006 a), enquanto outros ficam centrados na geração de potência (Lora et al., 2006; Ensinas et al., 2006 a).

Um estudo feito por Nogueira (1987) utilizando ferramentas de simulação realizou uma análise da utilização de energia nas diferentes etapas de produção de álcool a partir da cana- de-açúcar, considerando a energia direta e indireta, associada aos insumos, materiais e equipamentos. Os resultados principais do estudo apresentam algumas oportunidades de uso racional de energia nas diferentes etapas do processo de obtenção do álcool e também a maximização da eletricidade excedente do processo de cogeração.

Recentemente, os trabalhos de Pellegrini (2009) e Ensinas (2008) analisaram, para plantas de produção de açúcar e álcool, alternativas de uso racional da energia, o primeiro enfocando seu trabalho numa avaliação termoeconomica-ambiental, e o segundo enfoca seu trabalho na aplicação do método ―pinch‖ como ferramenta para a diminuição dos consumos energéticos da planta.

Este trabalho avalia algumas oportunidades para o avanço nos aspectos da sustentabilidade na produção de etanol de cana-de-açúcar numa destilaria do Brasil, no contexto de um uso racional e sustentável dos recursos utilizados no processo global de produção (planta de cogeração – destilaria de etanol), utilizando a Termoeconomia como ferramenta. Apresenta algumas possibilidades de melhora no rendimento energético do sistema de produção de etanol, visando a minimização dos seus impactos ambientais e consumos energéticos da planta, assim como uma análise de sensibilidade econômica da planta, considerando a venda de eletricidade e a produção de etanol. De igual forma pretende- se apresentar a influência na variação dos parâmetros de geração de vapor, e a seleção da tecnologia adequada no processo de produção de etanol, na eficiência global da planta e no custo final dos produtos obtidos (eletricidade e etanol).

Tendo em conta o anteriormente mencionado o presente trabalho estabelece como principais contribuições as respostas aos seguintes aspectos:

Determinar quais são os custos finais de produção do etanol e da eletricidade em função das tecnologias de cogeração e de produção utilizadas na planta.

Quais são os custos finais da eletricidade em função do critério de alocação de custo escolhido para o bagaço.

Qual é a influencia dos parâmetros de vapor utilizados e da capacidade da planta na viabilidade econômica das destilarias autônomas.

Atualmente quais são os parâmetros de vapor e tecnologias de produção de etanol que permitem obter uma maior eficiência global na planta de produção de etanol.

Para o cumprimento dos aportes anteriormente mencionados, os seguintes objetivos foram propostos.

1.2 OBJETIVOS

Objetivo Geral

Realizar uma análise termo-econômica integrada de uma destilaria autônoma, avaliando conjuntamente a planta de cogeração e a planta de produção, considerando diferentes tecnologias e parâmetros nos processos de cogeração e de destilação.

Objetivos Específicos

Revisão bibliográfica e levantamento, mediante visitas técnicas, dos indicadores e esquemas das diferentes alternativas tecnológicas atuais para a produção de etanol a partir da cana-de-açúcar.

Simular e avaliar diferentes esquemas de cogeração a partir de ciclos a vapor e diferentes opções paramétricas, utilizando o software Gate-Cycle como ferramenta, considerando o uso do bagaço da cana.

Simular e avaliar diferentes esquemas de destilação considerando os parâmetros de operação dos mesmos para a produção de álcool hidratado, utilizando o software Hysys.

Determinar as propriedades termodinâmicas dos principais fluxos da planta.

Analisar o comportamento termoeconômico do conjunto planta de cogeração- produção de etanol para os diferentes tipos de esquemas analisados. Elaboração de indicadores de desempenho e definição e implementação de um critério de eficiência global do sistema integrado.

Determinar o custo exergético e monetário final dos produtos da planta (eletricidade e álcool hidratado), utilizando a exergoeconomia como ferramenta.

Análise econômico-financeira das alternativas de cogeração – planta de produção a implementar na destilaria.

Definição da melhor alternativa (planta de cogeração – destilaria) técnica e economicamente viável para a produção de etanol.

Análise dos diferentes cenários econômicos numa destilaria autônoma, considerando a venda de eletricidade e a produção de etanol.

Além do capitulo 1, apresentado anteriormente, os seguintes capítulos são parte desta tese de doutorado.

No capítulo 2 é apresentada uma revisão sobre os critérios e aspectos gerais na seleção dos sistemas de cogeração, sua caracterização na indústria sucroalcooleira, principais

parâmetros de operação, fatores que influenciam seu rendimento, tendências na aplicação deste tipo de sistemas, caracterização dos consumos energéticos dos sistemas de produção acoplados ao sistema de cogeração, assim como uma análise dos principais indicadores de desempenho baseados na Primeira e na Segunda Leis da termodinâmica.

No capítulo 3 são apresentadas as principais características das etapas produtivas que compõem o sistema de produção de etanol, assim como alguns parâmetros que influenciam o comportamento destes sistemas.

No capitulo 4 são apresentadas as teorias termoeconômicas a implementar no caso de estudo, as metodologias de cálculo para a determinação das exergias do caldo de cana e da mistura etanol-água, as equações para os balanços de massa e energia para outras etapas da planta de destilação, assim como, a descrição das ferramentas computacionais a utilizar neste estudo.

No capitulo 5 é apresentada a modelagem das diferentes etapas do processo produtivo de produção de etanol (lavagem, moendas, tratamento do caldo, evaporação, fermentação e destilação).

No capitulo 6 é apresentado o modelo físico, termoeconômico do sistema planta de cogeração – planta de etanol, considerando diferentes tecnologias e parâmetros que contribuem no incremento da eficiência global da planta.

No capitulo 7 é realizada uma avaliação abrangente de plantas de produção de etanol, considerando parâmetros de vapor de 4,0 até 12,0 MPa e diferentes capacidades de moendas, visando a avaliação destes aspectos nos custos finais de produção da planta e na viabilidade econômica das plantas. De igual forma é apresentado neste capitulo uma analise de risco dos diferentes cenários avaliados, visando a determinação dos fatores que mais contribuem na viabilidade econômica de uma planta de produção de etanol, assim como as probabilidades de cada uma delas apresentar viabilidade econômica.

O capitulo 8 apresenta as conclusões deste estudo.

A tese conta ainda com anexos, onde estão os cálculos complementares, tabelas e resultados intermediários.