Panorama atual e desafios na geração
de energia da partir da biomassa
O Mercado Brasileiro de Biomassa
Suani Coelho
Colaboradores: Cristiane Cortez; Renata Grisoli; Vanessa Pecora; Javier Escobar
CENBIO/IEE/USP
1. BIOCOMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS – Biocombustíveis para Aviação -
Tecnologias de segunda geração
2. GERAÇÃO DE ENERGIA
- uso de biomassa para fins térmicos - pellets
- cogeração de energia a partir de biomassa
http://www.nipeunicamp.org.br/sabb/index.php?option=c om_content&view=frontpage&Itemid=1
Produção mundial de etanol
(1ª e 2ª geração)
Ethanol Energy Balance for Different
Crops
0 2 4 6 8 10 12 14Cana Milho Trigo Beterraba Mandioca Resíduos ligno-celulósicos* E n tr ada de ener g ia/ cosn u mo d e e n er g ia (d e com b u stív eis f ó sie s) Matéria-s-primas
* Estimativa teórica, tecnologia em desenvolvimento
Ethanol Energy Balance from Sugarcane
OTHERS AGRICULTURE OPERATIONS FERTILIZERS TRANSPORT ETHANOLBIOELECTRICITY (sugarcane bagasse)
SOLAR ENERGY
2C2H5OH + 11/2 O2 4 CO2 + 5 H2O
Diesel oil CO
Emissões de Gases de Efeito Estufa
* Estimativa teórica, tecnologia em desenvolvimento
Fontes: Dai et al, 2006; EBAMM, 2005; IEA, 2004; Macedo et al, 2007 e Nguyen et al, 2007
66.5 a 73%
Carbon balance for transportation
Agro-environmental zoning of
São Paulo State (2008)
Adequate
Adequate with environmental limitations
Adequate with environmental restrictions
Agroecological Zoning Brazil
Agroecological Zoning Brazil
Tecnologias de segunda
geração
• Rota termoquímica
- Gás de síntese, síntese catalítica ou
fermentação
• Rota bioquímica – em desenvolvimento no
Brasil
Matéria-prima lignocelulósica
• Culturas energéticas
- Acúmulo biomassa, perenes, rotação, alto
rendimento
• Resíduos
• Cana
• Madeira
• Agricolas
Projeto CENBIO
Potential
for
Sustainable
Production of 2nd-Generation
Biofuels
Levantar informações brasileiras sobre os biocombustíveis de primeira geração, além da disponibilidade de matérias-primas para produção de biocombustíveis de segunda geração, a fim de subsidiar o relatório publicado em 2010, que trata da situação dos principais países emergentes e em desenvolvimento.
Projeto CENBIO
Levantamento georreferenciado de resíduos
da cana-de-açúcar em potencial no país,
visando à sua utilização para produção de
álcool combustível através da tecnologia de
hidrólise enzimática
• Levantar o potencial de biomassa residual da cultura de cana-de-açúcar (considerando apenas resíduos de palhas/pontas e bagaço da cana-de-açúcar) • Elaborar mapas
georreferenciados do potencial de resíduos (safra 2007/2008)
Custos de produção do etanol
celulósico
• Custo matéria-prima
- 45% a 65% do custo de produção
• Custo capital
-
Escala comercial
• Custo de operação e manutenção
Cenário brasileiro
• Custo de oportunidade bagaço
• Trade-off
• Cogeração de energia
• Custo oportunidade: incremento bruto total em
relação a outros produtos da sacarose
- R$ 44/ tms: cogeração
- R$ 13/ tms: etanol celulósico
Iniciativas etanol lignocelulósico no
Brasil
Início
Iniciativa
Financiador/ Responsável
1981
Iniciativa com eucalipto
Fundação de Tecnologia
industrial (FTI) - Lorena/SP
1987
Patenteamento: Dedini Hidrólise Rápida (DHR)/ planta
demonstração
Dedini - Piracicaba/SP
2006
REDE BIOETANOL - Produção de Etanol via Hidrólise
Enzimática da Biomassa da Cana-de Açúcar
Ministério de Ciência e
Tecnologia
2004
Unidade experimental/ planta semi industrial (2010)
CENPES/ Petrobras
2008
Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (BIOEN)
FAPESP
2009
Projeto CANEBIOFUEL ( Seventh Research Framework
Programme of the European Commission – FP7)
Novozymes, CTC e UFPR
2009
Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol
(CTBE)
Ministério de Ciência e
Tecnologia
1. BIOCOMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS – Biocombustiveis para
Aviação - Tecnologias de segunda geração
2. GERAÇÃO DE ENERGIA
- uso de biomassa para fins térmicos - pellets
- cogeração de energia a partir de biomassa
• Usos finais:
• Energia térmica/pellets
• Energia elétrica/cogeração
• Vantagens
– Tecnologias comercializadas no país.
– Combustível e equipamento nacionais.
– Vantagens ambientais (substituição de outros combustíveis
fósseis e grandes hidrelétricas).
– Cogeração – processo mais eficiente (produção simultânea de
calor e energia elétrica).
Geração de Energia a partir de
Biomassa
Fonte: REN21.Renewables 2012 – Global Status Report
Produção de Pellets de madeira no Brasil
• Dispõe de vinte plantas industriais de pellets em funcionamento, além de novos projetos anunciados, a maioria localizada na região Sul.
• A produção, o consumo, a exportação e a importação brasileira de pellets ainda são reduzidas.
Forecast of electric energy supply in Brazil (GW)
Sources 2010 2020 2030
Hydroelectrics (with Itaipu) 82.9 115.1 148.6
Thermo-electric 17.5 28.9 42.6 Natural Gas 9.2 11.7 17.5 Nuclear 2.0 3.4 7.4 Coal 1.8 3.2 4.9 Others 4.5 10.6 12.9 Alternatives 9.1 27.0 40.8
Small hydroelectric plants (PCHS) 3.8 6.4 9.0
Wind 0.8 11.5 13.5
Biomass 4.5 9.1 22.3
Total 109.6 171.1 232.0
Atlas de Bioenergia
Atlas de Bioenergia
• Resíduos de cana-de-açúcar • Resíduos florestais
• Resíduos agrícolas
• Oleo de palma nas regiões Norte e Nordeste;
• Biogás proveniente do tratamento de efluentes líquidos gerados na criação de suínos;
• Biogás proveniente do tratamento de efluentes líquidos domésticos e comerciais; e
• Biogás proveniente da disposição de resíduos sólidos urbanos em aterros sanitários.
Panoramas dos potenciais de geração de energia a partir de
biomassa
Cogeração com Biomassa
• Açúcar/álcool (bagaço de cana –
palha/pontas)
• Papel/Celulose (licor negro/resíduos de
madeira)
• Serrarias/Movelarias (resíduos de madeira)
• Beneficiamento de arroz (casca de arroz)
• Biogás
Geração de Eletricidade a partir de
Biomassa
Fonte: Banco de Informações de Geração, ANEEL, 2012 1 10 100 1000 10000
Casca de arroz Bagaço de cana Licor negro Res Madeira Biogas
Tecnologias para geração de eletricidade
a partir de biomassa (1/2)
• Tecnologias comercialmente disponíveis:
– Ciclos a vapor de grande escala – setores açúcar e
álcool, papel/celulose e madeira (serrarias e
movelarias)
• Caldeiras de alta pressão
• Caldeiras de leito fluidizado (setor de papel e
celulose)
• Turbinas a vapor de contra-pressão (multiplo
estagio)
• Turbinas a vapor de condensação e extração
– Turbinas a vapor de pequena escala – pequenas
Fonte: CENBIO (Usina Santa Adélia São Paulo – Brasil)
Cogeração - setor de
papel/celulose
Caldeira de Leito Fluidizado – Princípios Gases Combustível Areia Cinzas Ar para fluidização Fonte: GASPARIM, 1999.
Cogeração em indústrias de celulose e integradas
Caldeiras de leito fluidizado para biomassa
Aracruz (ES) e Klabin (Telêmaco Borba, PR)
Município de Breves – Ilha de Marajó – Pará/Brasil
Sistemas de biomassa em pequena escala
micro-turbinas a vapor (<1,5 MW)
Sistemas de biomassa em pequena escala – Projeto Conjunto Brasil-Índia – gaseificador de biomassa para fornecimento energético em vilas remotas –
cascas de cupuaçu
• 700 pessoas - 180 residências;
• Área plantada com cupuaçu: 100 ha;
• Energia para atividades econômicas
• Antes da usina de gaseificação – Frutos de cupuaçu vendidos in natura (pouco valor agregado)
• Após a usina de
gaseificação– produção de polpa congelada de
cupuaçu (maior valor agregado)
• Gaseificador de biomassa instalado no IPT/USP para adaptação e testes
Vila amazônica - Aquidabam
Tecnologias para geração de eletricidade a
partir de
biomassa (2/2)
• Tecnologias em desenvolvimento/plantas piloto
– Gaseificadores de biomassa em grande escala/sistemas de turbina a gás
• Dificuldades com alimentação de biomassa e • Sistema de limpeza de gás para turbinas a gás • Todas as usinas existentes fechadas
– Gaseificadores/motores de biomassa em pequena escala
• Em desenvolvimento
• Necessidade de maior P&D
• Algumas plantas piloto em comunidades isoladas – não completamente comercializados
PNRS – Política Nacional de Resíduos Sólidos
RESÍDUO
DESTINAÇÃO
FINAL
REJEITO
DISPOSIÇÃO
FINAL
reutilização
reciclagem
compostagem
recuperação
aproveitamento energético
X
“Baixada Santista”- “Litoral Norte”
Biogás a partir de Aterros Sanitários
Biogás a partir de Tratamento de Esgoto
Biogás a partir de Resíduos Rurais
BIOGÁS
Aterro Sanitário
Tecnologias de Conversão de
biogás no Brasil
Estrutura do sistema de captação de biogás Vazão
d e me tan o (m 3/an o)
Geração de Energia em Aterro Sanitário – São Paulo
ATERRO BANDEIRANTES
Potência instalada: 20 MW Aterro encerrado em maio de 2007 Previsão de geração de biogás: + 25 anos após o encerramento das atividades
ATERRO SÃO JOÃO
Potência instalada: 22 MW
Aterro encerrado em outubro de 2007 Previsão de geração de biogás: + 15 anos
Tecnologias avançadas: Microturbina a Biogás – Biogás de Tratamento de Esgoto na Estação de Tratamento de Esgoto da SABESP, São Paulo
Tecnologias de pequena escala para
Conversão de Biogás no Brasil
Motor Ciclo Otto
Microturbina a Gás
Eletricidade a partir de Biogás – Esgoto do Conjunto Residencial da USP - SP
Biodigestor modelo RAFA: Reator Anaeróbio de Fluxo Ascendente
Motor e sistema de controle Projetos CENBIO
Biogás a partir de Tratamento de Esgoto
PEQUENA ESCALA – TECNOLOGIA ADAPTADA
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO OURO VERDE DA SANEPAR
FOZ DO IGUAÇU – PARANÁ / BRASIL GRANDE ESCALA – TECNOLOGIA AVANÇADA
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO DA COPASA
MINAS GERAIS / BRASIL
Potência instalada: 2,4 MW
Tecnologia de conversão energética : microturbina a biogás Energia térmica: aquecimento de biodigestores
Potência instalada: 30 kW
Tratamento de Dejetos Animais
Metodologia para estimar a redução de GEE a partir de biodigestão de resíduos
animais
Fotos:
CENBIO, 2011
Granja Colombari – Foz do Iguaçu – Paraná / Brasil
30 kW instalados – Contrato com a COPEL
BIOGÁS A PARTIR DE
ATERROS/ESGOTO/MEIO RURAL
• Grande escala – aterros vendendo eletricidade
para a rede
• Tecnologia
– Motores: bem conhecidos
– Turbinas a gás para biogás: poucos fabricantes
• Sistemas de conversão de biogás não
fabricados no Brasil
• Sistema de limpeza de biogás para alimentar o
motor – a ser aperfeiçoado
• Tecnologia – motores não fabricados no Brasil
(apenas motores adaptados)
• Turbinas a gás – importadas – poucos exemplos no
lugar
• Limpeza de gás – a ser aperfeiçoada
• Conservadorismo – stakeholders (rural)
58
Gargalos
2012 – Agência Nacional de
Energia Elétrica - ANEEL -
Incentivos para concessionarias –
Projetos de P&D em biogás
BIOGÁS A PARTIR DE
• Forte rejeição da sociedade civil (falta
de informação)
– Receio com relação à toxicidade dos gases de exaustão: falta informação sobre a
existência de tecnologias adequadas para limpeza dos gases;
– Preocupações relativas aos impactos na reciclagem (desemprego de catadores): falta informação sobre a necessidade obrigatória de reciclagem antes do processo de incineração.
• Investimentos iniciais elevados.
• Custo de geração elevado.
• Falta de políticas públicas de incentivo
às tecnologias para geração de energia
elétrica a partir de RSU.
RSU – Projeto Parceria
São Paulo – Baviera (Alemanha)
SMA/SP
SMA, Saúde Pública e Defesa do Consumidor (Baviera)
• 1ª Fase (2004)
Capacitação na incineração de resíduos sólidos.
• 2ª Fase (2006):
Inclusão de municípios: São Bernardo do Campo, Embu, Barueri e Santos
e outras instituições públicas e privadas (SABESP, EMAE, LIMPURB, CIESP/FIESP, ABES).
• 3ª Fase (2009)
SMA/SP, CETESB e Secretaria Estadual de Energia Resolução Nº 079, 4 Nov 2009
Condições gerais para operação e licenciamento de tratamento térmico de RSU Estudo de Caso para um município de SP – viabilidade econômica de uma planta
Fonte: EMAE, 2010
RSU – Projeto Parceria
São Paulo – Baviera
GT - SSE/EMAE - Estudo de viabilidade econômica e
modelagem para a implantação da URE
Res. SMA 79 (04/11/2009)
LE para URE (t mín de 850
oC)
Baseados na Baviera
MP, SOx, NOx, HCl, HF, HCT, CO, As, Cd, Pb, Co, Cu, Cr, Mn, Hg, Ni, Tl, V
e seus compostos, dioxinas e furanos.
Primeira verificação do cumprimento aos limites de emissão deverá
ser realizada no mínimo na capacidade de plena carga e proceder à
expedição da LO.
Estabelece diretrizes e condições para a operação e o
licenciamento da atividade de tratamento térmico de resíduos
no estado de SP.
Comparação entre tecnologias para
aproveitamento energético de RSU
Tecnologia Vantagens Dificuldades
Aterro Sanitário Tecnologia conhecida/dominada (motores)
• Dificuldades para encontrar áreas disponíveis (ambientais e sociais) • Motores – elevadas emissões de
NOx (necessários equipamentos
“low NOx”)
• Micro turbinas pouco usadas no BR Incineração Redução no volume de
resíduos sólidos dispostos em aterros sanitários
• Não há planta instalada com potência < a 1 MW no mundo • Não há planta instalada no Brasil • Custos elevados
Tratamento
Mecânico Biológico
Redução no volume de RS dispostos em aterros sanitários Mercado de recicláveis
• Não há planta instalada no Brasil • Custos elevados
Gaseificação Unidades de pequeno porte (<1 MW) – planta piloto
• Não há plantas comerciais para biomassa (experiência de pequeno porte na Índia e no BR/Amazônia) • Necessidade de mais
Geração de eletricidade a
partir de RSU
Quantidade de RSU Potencial de geração de eletricidade
1200 t/d 20 MW (incineração) 60 t/d (município de 60 000 pessoas) 1 MW
5 t/d (município de 5 000 pessoas) 75 kW aprox (gaseificação)
Incineração – apenas plantas acima de 5 MW Gaseificação – abaixo de 1 MW
“AVALIAÇÃO DE CICLO DE VIDA (ACV)
COMPARATIVA ENTRE TECNOLOGIAS DE
APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DE
RESÍDUOS SÓLIDOS”
• Projeto de P&D EMAE / ANEEL: 0393-00611
• Objetivo: elaborar estudo comparativo por meio da (ACV) do potencial de
geração de energia elétrica proveniente do aproveitamento energético de
tecnologias de tratamento e disposição final de resíduos sólidos (de origem
domiciliar, poda, varrição, comercial e industrial não perigoso), incluindo lodo
proveniente de estação de tratamento de esgoto.
• Objetivos secundários: análises dos aspectos econômicos, mercadológicos e
sociais das tecnologias de tratamento a serem avaliadas.
Resultados preliminares ACV
Emissões não tóxicas para o cenário: RSU 90% e lodo 10%
PECORA et al. COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO AMBIENTAL DE ALTERNATIVAS PARA A DESTINAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS COM APROVEITAMENTO ENERGÉTICO. III Congresso Brasileiro em Gestão do Ciclo de Vida de Produtos e Serviços, Maringá, 2012
• 2002 – Programa Proinfa (Programa Federal de Incentivo às
Fontes Alternativas de Energia Elétrica) – contrato de 20 anos
para aquisição de eletricidade
• 1000 MW biomassa
• 1000 MW energia eólica
• 1000 MW pequenas usinas hidroelétricas
Políticas para eletricidade a partir de
Biomassa no Brasil (1/2)
• Resultados from PROINFA (
tarifas de alimentação estabelecidas –consideradas muito baixas para biomassa)
Total 3300 MW
Wind power 1423 MW
Small hydropower plants 1191 MW
Biomass (only ) 685 MW
Fonte: Eletrobras, Agosto 2005 1.000 MW – 685 MW = 315 MW contratos para as outras
energias renováveis – principalmente para eólica (mais cara!!)
• Leilões baseados nos menores preços
2006 - R$ 137,44/MWh (usinas termoelétricas – todas as fontes de energia)
Políticas para eletricidade a partir de
Biomassa no Brasil (2/2)
Fonte de energia Projetos contratados Potência Instalada (MW) Garantia Física (MWmédio) Preço médio(R$/MWh) Eólica 39 976,5 478,5 105,12 Biomassa 2 100 43,1 103,06 Hídrica 1 135 90,9 91,20 Total 42 1211,5 612,5 102,182011 - R$105,12/MWh (apenas energia renovável)
Não há políticas para bioenergia/biogás – não competitivos Em discussão agora – leilões para CADA tipo de renovável
8,25% do total 5,53% do total
