Culturas Bioenergéticas
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
CARLA SOFIA CAMPOS MATIAS
ii Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau de Mestre.
iv
Agradecimentos
Agradeço aos meus orientadores, Professor Nuno Moreira e Professor Amadeu Borges, por toda a disponibilidade e conhecimentos que partilharam no decurso desta Dissertação.
Aos Professores do Departamento de Engenharia Mecânica, por todo o conhecimento adquirido ao longo do curso.
Ao Departamento de Engenharia Florestal, pela disponibilização do espaço e apoio prestado.
À UTAD pela disponibilização dos meios e dos espaços para efectuar este trabalho. Ao meu namorado, pelo apoio e compreensão nos momentos mais difíceis.
Aos meus Pais e Padrasto, pelo apoio incondicional em todos os momentos e por proporcionar todas as condições para que se pudesse concretizar este trabalho.
vi
Resumo
Existe actualmente uma crescente preocupação na substituição dos combustíveis de origem fóssil por energia proveniente de fontes renováveis. A biomassa, podendo esta ser de origem florestal, agrícola ou resíduos, é uma das fontes de energia que poderá ser utilizada para a produção de energia térmica ou energia eléctrica. A utilização de recursos florestais e agrícolas para a produção de energia renovável em Portugal, apresenta-se como uma alternativa viável aos consumíveis fósseis. Para a transformação destes recursos terá que se recorrer a processos de transformação de energia, onde a sua eficiência está condicionada por requisitos técnicos que provêm muitas vezes do tipo de matéria-prima utilizada. Desta forma, é necessário avaliar as características dos recursos de modo a garantir a sua utilização para fins energéticos. Neste trabalho estudar-se-á a capacidade de utilização dos recursos florestais e agrícolas para a produção de energia em Portugal, identificando as tecnologias de transformação que poderão ser utilizadas em função dos diversos recursos. Realizar-se-á também a especificação das características dos produtos agrícolas e florestais em função das tecnologias de transformação.
viii
Abstract
Now, there is a growing concern in replacing fossil fuels with energy from renewable sources. Biomass is a form of energy that can be used to produce heat or electricity, which may be of forest origin, agricultural or waste. The use of forest resources and agricultural production of renewable energy in Portugal is presented as a viable alternative to fossil supplies. To transform these resources, it will have to resort to processes of transformation of energy, where its effectiveness is constrained by technical requirements that often come to the type of feedstock used. Thus it is necessary to evaluate the characteristics of resources to ensure its use of energy. This work will study the capacity of forest and agricultural resources for energy production in Portugal, identifying transformational technologies that could be used in various resources. Conduct will also specify the characteristics of agricultural and forestry products as a function of processing technologies.
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Agradecimentos ... iv
Resumo ... vi
Abstract ... viii
Índice de Tabelas ... xi
Índice de Figuras ... xii
Introdução ... 1
2. Revisão do estado da arte ... 4
2.1 Perspectivas de energia em Portugal. ... 4
2.2 Protocolo de Quioto e Copenhaga ... 5
2.3 Investimentos para as energias renováveis... 9
3. Energia em Portugal ... 11
3.1 Energias renováveis... 11
3.2 Produção de energia primária ... 14
4. Recursos de Biomassa ... 20
4.1 Classificação dos recursos ... 20
4.2 Quantificação ... 25
4.2.1 Florestal ... 26
4.2.1 Agrícola ... 30
5. Processos de Transformação ... 33
5.1 Processo de Combustão ... 39
5.1.1 Factores que afectam a combustão ... 43
a) Densidade ... 44
b) Humidade ... 45
c) Poder Calorífico ... 46
x
e) Teor de Voláteis... 47
f) Teor de Cinzas ... 47
g) Tamanho das Partículas ... 47
6. Procedimento ... 48
6.1 Espécies florestais ... 48
6.1.2 Análise química quantitativa ... 49
6.1.3 Determinação das cinzas ... 50
6.1.4 Determinação da humidade... 51
6.1.5 Determinação do PCS ... 51
6.2 Espécies Agrícolas ... 52
7. Resultados ... 56
7.1 Espécies Florestais ... 56
7.1.1 Análise química quantitativa ... 56
7.1.2 Percentagem de Humidade ... 57
7.1.3 Poder Calorífico ... 58
7.2 Espécies Agrícolas ... 59
7.2.1 Poder Calorífico Superior (PCS) ... 59
8. Conclusões ... 61
xi
Tabela 1: Classificação dos resíduos……….……...………..20
Tabela 2: Espécies florestais ………...……….…..27
Tabela 3: Áreas em uso ………..28
Tabela 4: Área das espécies dominantes ………29
Tabela 5: Área das principais superfícies agrícolas ………...31
Tabela 6: Principais Culturas Agrícolas ………32
Tabela 7: Factores que afectam o potencial de uma cultura.………..38
Tabela 8: Resultados Analise química quantitativa ………...56
Tabela 9: Humidade do Pinheiro Bravo ……….57
Tabela 10: Humidade Eucalipto ………...…..58
Tabela 11: Poder calorífico das espécies florestais. ………...58
Tabela 12: PCS da Macieira ………..59
Tabela 13: PCS da Cerejeira ………..59
xii
Índice de Figuras
Figura 1: Investimento em Projectos de Energias Renováveis (Milhões)…………..10
Figura 2: Percentagem das diversas fontes de energia no ano de 2003.……….14
Figura 3: Percentagem das diversas fontes de energia no ano de 2008………..15
Figura 4: Produção de energia eléctrica, em Portugal, a partir das energias primárias no ano de 2007.……….……..16
Figura 5: Produção de energia térmica, em Portugal, a partir das energias primárias no ano de 2007………17
Figura 6: Consumo de Energia Primária em 2007………..17
Figura 7: Evolução do consumo de energia primária (2003 – 2007)………..18
Figura 8: Contribuição das energias renováveis para a produção de energia eléctrica (TWh)………...….…..18
Figura 9: Uso do Solo ………..…..25
Figura 10: Área em uso de Floresta por região………...28
Figura 11: Área em uso de Matos por região ………...29
Figura 12: Área por espécie em cada região (103 ha)……….30
Figura 13: Processos de conversão……….33
Figura 14: Fontes de energia e processos de conversão……….36
Figura 15: Processo de Combustão……….41
Figura 16: Esquema de câmara de combustão………43
Figura 17: Amostras após o corte ……….……….53
Figura 18: Trituradora……….53
Introdução
Actualmente, tem-se verificado uma crescente preocupação em reduzir a utilização de combustíveis fósseis, pois devido ao consumo excessivo por parte do Homem são recursos que se encontram em escassez, o que provocou um aumento no custo destes, influenciando os custos para a produção de energia. A questão ambiental é também um factor que nos leva a pensar no consumo deste tipo de recurso, uma vez que se tenta reduzir ao máximo a emissão de gases com efeito de estufa, provocando desta forma, uma necessidade de encontrar um substituto para os recursos, procura esta que passará pelas fontes de energia renovável.
A produção de energia a partir de fontes renováveis adquiriu especial importância no quadro da política energética da União Europeia em virtude do agravamento da situação de forte dependência energética em relação ao petróleo. É aqui que surgem as fontes renováveis como substituto dos combustíveis fósseis (Livro Branco, 2005). Existem diferentes fontes de energia renovável e desta forma diferentes formas de produzir energia. Das diferentes fontes renováveis destacam-se por ordem de potência instalada a hídrica, a eólica, biomassa, a solar, a geotérmica, e a energia proveniente das ondas.
Nas fontes de energia existentes, a biomassa é a que tem perspectivas de um crescimento mais favorável para os próximos anos, tanto pelo potencial e pelas diferentes formas de aproveitamento energético como pelas vantagens a que conduz a sua utilização. Esta forma de energia representa a quarta fonte de energia a nível global, e constitui o principal combustível para 75% da população mundial. No contexto energético satisfaz hoje 14% da procura energética mundial, com uma significativa participação na matriz energética dos países subdesenvolvidos, onde a sua contribuição pode atingir níveis da ordem de 90% (Couto Luiz et al, 2004).
Biomassa é um termo genérico para os resíduos florestais, agrícolas, agro-pecuários e urbanos. Os derivados da biomassa são usados tradicionalmente como materiais de recurso para extrair produtos químicos valiosos. A produção de energia a
2 atmosfera, isto porque a biomassa absorve o dióxido de carbono enquanto cresce, tornando-se deste modo uma fonte de energia muito atractiva no que respeita a impacto ambiental (Chiaramonti David et al, 2005).
Existem diversos de onde se pode extrair a biomassa, ou seja, o sector florestal podendo deste utilizar-se as florestas e os matos, o sector agrícola e agro-pecuário e também resíduos urbanos. Para além dos diferentes sectores existe a possibilidade da criação de culturas energéticas, sendo esta forma sustentada pelo aumento da disponibilidade de biomassa uma vez que estas permitem o aproveitamento de terrenos que se encontram actualmente ao abandono. Este tipo de culturas, devidas às características das culturas, tem a capacidade de limpeza dos terrenos como é o caso do pinheiro manso ou de espécies de grão, como o milho. As culturas energéticas permitem ainda o aproveitamento de espécies mais adequadas para a produção de energia, ou seja, a escolha de uma espécie que satisfaça as necessidades pretendidas para a produção de energia. As diferentes espécies consideradas como cultura energética podem ser divididas de diversas formas, tal como poderemos ver mais à frente, onde caracterizamos as espécies em cinco grandes grupos.
Existem diversos métodos para transformar a biomassa em energia. Dos métodos existentes, os mais utilizados são os métodos termoquímicos e os biológicos. Os métodos biológicos baseiam-se na utilização de diversos tipos de microorganismos que, por sua vez, transformam as moléculas que constituem a biomassa em compostos mais simples, mas com alto valor energético. A fermentação e a digestão são exemplos deste método. Os métodos termoquímicos baseiam-se na utilização de calor como fonte de transformação da biomassa e destes destacam-se a combustão, a pirólise e a gasificação. (Jin Xuan et al, 2008)
O processo de combustão para a obtenção de energia será o processo mais evidenciado neste trabalho, isto porque é o processo mais utilizado actualmente para a produção de energia.
Neste contexto, o objectivo principal deste trabalho centra-se no estudo da capacidade de produção de recursos agrícolas e florestais para a produção de energia em Portugal, na identificação das tecnologias de transformação em energia e na definição
Capítulo 1
3 das especificações dos produtos agrícolas e florestais em função das tecnologias de transformação.
Este trabalho está organizado em oito capítulos, os quais se descrevem aqui sumariamente. No Capítulo 2 apresenta-se o panorama das FER em Portugal e a sua importância para o comprimento dos objectivos propostos no Protocolo de Quioto e Protocolo de Copenhaga. As diferentes fontes de energia renovável e a sua participação na quota energética serão evidenciadas no Capítulo 3, bem como, os consumos de energia em Portugal. No Capítulo 4 é realizada uma classificação e quantificação de recursos de biomassa existente em Portugal. Por sua vez, o Capitulo 5 é dedicado aos diferentes processos de transformação de energia, dando maior relevância ao processo de combustão uma vez que será este o utilizado no procedimento prático. Nos Capítulos 6 e 7 é apresentado o procedimento laboratorial e os resultados respectivamente. Finalmente, no Capítulo 8, estão reunidas as principais conclusões obtidas com a realização deste trabalho.
4 A utilização de fontes de energia renovável surge como uma alternativa de substituição dos combustíveis fósseis por forma a diminuir o seu consumo excessivo e respectiva dependência. Com o objectivo de reduzir os gases com estufa e permitir a substituição dos combustíveis fósseis foi necessário avaliar os diferentes tipos de energia renováveis e criar metas em cada.
2.1 Perspectivas de energia em Portugal.
Portugal é um país pobre quanto à disponibilidade das fontes de energia mais vulgares, as chamadas fontes não-renováveis, uma vez que não dispõe de poços de petróleo, minas de carvão ou depósitos de gás. No entanto, e no que respeita as fontes de energia renovável, o país tem um enorme potencial que pode e deve ser explorado, não só numa óptica de reduzir a dependência energética externa mas também do ponto de vista ambiental, no sentido de não aumentar demasiado, ou inclusivamente de reduzir, o consumo de fontes de energia que acarretam emissões de gases com efeito de estufa, previsto no protocolo de Quioto e num conjunto de directivas comunitárias, de forma a combater as alterações climáticas. Com efeito, Portugal apresenta uma rede hidrográfica relativamente densa, uma elevada exposição solar média anual e dispõe de uma vasta frente marítima que beneficia dos ventos atlânticos, o que lhe confere a possibilidade de aproveitar o potencial energético da água, radiação solar, das ondas e do vento. Estas condições únicas permitem ao país o aproveitamento de fontes de energia alternativas ao consumo de combustíveis fósseis. Assim, Portugal encontra-se numa posição privilegiada não só para compensar o défice natural de fontes de energia não renovável mas também para ser pioneiro na diminuição da dependência energética em fontes de energia não renovável e poluentes, colocando-se na vanguarda da procura de um desenvolvimento sustentável.
Consciente das suas potencialidades no que toca à produção de energia a partir de fontes renováveis, o país assumiu um compromisso perante as nações da União Europeia, definindo uma meta ambiciosa no que respeita à redução da dependência
Capítulo 2
5 energética nos combustíveis fósseis. Com efeito, Portugal propôs-se a, em 2010, dispor de 39% da energia eléctrica gerada a partir de fontes renováveis (directiva europeia 2001/77/CE), a terceira maior contribuição na UE15. Dois anos mais tarde foram estabelecidas metas individuais para a produção de energia limpa a partir das diferentes fontes renováveis, objectivos estes que foram revistos em 2005 quando foi apresentada a Estratégia Nacional para a Energia aprovada pela Resolução do Conselho de Ministros nº 169/2005, de 24 de Outubro, que substituiu a anterior Resolução do Conselho de Ministros nº 63/2003 de 19 de Outubro. Na referida Estratégia está previsto o reforço das fontes de energia renovável pelo que a meta para a produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável passa de 39% para 45% do consumo em 2010 e os biocombustíveis usados nos transportes deverão atingir os 10% do consumo dos combustíveis rodoviários em 2010. (DGGE)
A Estratégia Nacional para a Energia baseia-se fundamentalmente nos seguintes objectivos, relativamente às fontes de energia renováveis:
Intensificar e diversificar o aproveitamento das fontes renováveis
Clarificar os mecanismos de licenciamento;
Elaboração de um código de procedimentos de operação da PRE;
Enquadramento legislativo dos certificados verdes e criação de uma plataforma para a sua negociação;
Valorização da biomassa florestal;
Transposição da Directiva sobre Biocombustíveis e introdução de biocarburantes no nosso país;
Dinamização do programa Água Quente Solar para Portugal;
Avaliação dos critérios de remuneração da electricidade produzida, tendo em conta as especificidades tecnológicas e critérios ambientais;
2.2 Protocolo de Quioto e Copenhaga
As fontes de energia renovável, apesar de pouco desenvolvidas, sempre existiram, como é o caso da biomassa que tantas vezes foi utilizada para o aquecimento das nossas
6 habitações. O preço baixo e o potencial dos combustíveis fósseis fizeram com que estes fossem mais utilizados, até hoje. Apesar de apresentarem um elevado potencial, estes combustíveis, para além se não serem renováveis em relação ao consumo, libertam também gases prejudiciais ao meio ambiente. É aqui que surge a preocupação com o meio ambiente e é aqui que se verifica um aumento no investimento na produção de energia a partir de FER.
Com o agravamento e a crescente preocupação com o aquecimento global, foi aprovado no ano de 1997 o Protocolo de Quioto. Este protocolo surge no seguimento da Convenção - Quadro das Nações Unidas sobre as Alterações climáticas no ano de 1992. Após um percurso de negociações, o protocolo foi assinado pela comissão Europeia no ano de 2002 segundo a Directiva 2002/350/CE, onde os países da União Europeia se comprometiam a reduzir as emissões dos gases com efeito de estufa (GEE).
O principal objectivo deste protocolo é a redução das emissões de gases com efeito de estufa em 8% entre o ano de 2008 e 2012, tendo por base o ano de 1990. O protocolo foi assinado pela Comissão Europeia a 29 Abril de 1998, onde apenas 38 países se comprometeram a cumprir os objectivos. Após o protocolo de Quioto foi também celebrado um acordo de partilha designado por Burden Share Agreement, de forma a permitir que países mais desenvolvidos reduzissem a suas emissões para que os países em desenvolvimento pudessem aumentar as emissões, como foi o caso de Portugal.
Após 8 anos de aprovações, o Protocolo de Quioto só entrou em vigor a 16 de Fevereiro de 2005 com a adesão de 55 Partes da convenção inicial e em Julho de 2006 o Protocolo foi ratificado por 164 países.
O estabelecido para Portugal foi um incremento nas emissões de gases de efeito de estufa de 27% até ao ano de 2010, mas no ano de 2003 este incremento atingia os 38%. Os sectores dos transportes e energia foram responsáveis por 24,4% e 24,3% respectivamente. Desta forma, segundo o Plano Nacional para as Alterações Climáticas de 2006, no ano de 2010 será atingido um aumento de 47% nas emissões.
Para que seja possível que os países inseridos no Protocolo cumpram com os seus objectivos, este contempla alguns mecanismos do mercado, ou seja, Mecanismo de
Capítulo 2
7 Implementação Conjunta, Mecanismo de Desenvolvimento Limpo e Comércio de Direitos de Emissão.
Após a regularização do Protocolo de Quioto foram aprovados três planos para que fosse possível cumprir os objectivos nacionais em matéria de alterações climáticas, ou seja, o Plano Nacional para as Alterações Climáticas (PNAC), o Plano Nacional de Atribuição de Licenças de Emissão (PNALE) e o Fundo Português de Carbono. O PNAC define um conjunto de políticas e medidas internas que visam a redução de emissões de GEE por parte dos diversos sectores de actividade. O Fundo Português de Carbono visa o desenvolvimento de actividades para a obtenção de créditos de emissão de GEE através do investimento em mecanismos de flexibilidade do Protocolo de Quioto.
O Protocolo de Quioto incide nas emissões de seis gases com efeito de estufa: Dióxido de carbono (CO2).
Metano (CH4). Óxido nitroso (N2O);
Hidrocarbonetos fluorados (HFC); Hidrocarbonetos perfluorados (PFC). Hexafluoreto de enxofre (SF6).
Constitui um passo em frente, importante na luta contra o aquecimento planetário, pois contém objectivos vinculativos e quantificados de limitação e redução dos gases com efeito de estufa.
No seguimento do protocolo de Quioto, foi realizada recentemente uma cimeira mundial com a intenção da realização de um novo protocolo que irá substituir o protocolo de Quioto. Esta cimeira foi realizada em Copenhaga, na Dinamarca, onde estiveram presentes 193 países a qual foi designada por 15ª Conferência das Partes (COP 15). O principal objectivo desta cimeira foi a criação de um documento para controlar as emissões de gases com efeito de estufa a partir de 2013 e ainda uma série de medidas de adaptação às alterações climáticas. De acordo com um estudo científico
8 da ONU, as emissões, de todos os países do mundo, precisam ser reduzidas para metade, até 2050, do que eram em 1990. De outro modo, não será possível evitar um aquecimento global com dimensões incomportáveis.
Até ao ano de 2020 seria importante conseguir-se uma redução de 25% a 40% das emissões de CO2, mas caso não seja possível atingir este objectivo era fundamental que 2020 fosse o ano em que as emissões atingissem o seu pico, iniciando-se aqui a descida das emissões. Tudo isto para garantir que a temperatura média do planeta não aumente mais de 2°C, relativamente ao valor máximo que, segundo a maior parte dos cientistas, a Terra conseguirá suportar, sem consequências catastróficas. Para isso, de acordo com os modelos climáticos, a concentração de CO2 na atmosfera não pode ultrapassar 450 ppm (partes por milhão), sendo que, hoje, o planeta se encontra sujeito a valores que rondam as 385 ppm e que crescem a uma velocidade de 2 ppm ao ano.
O plano de discussões para Copenhaga focalizou-se na realização de projectos de adaptação e apoio aos prejuízos, além das formas de financiar o combate aos efeitos das alterações climáticas nos países subdesenvolvidos. Todos os esforços que estão a ser realizados servem para desacelerar o aquecimento do planeta e manter os seus efeitos colaterais no mínimo possível, mas não para travar completamente o fenómeno. O IPCC (Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas), prevê que a temperatura possa aumentar até 6,4°C, durante este século, mantendo-se a evolução prevista dos níveis de emissão de gases com efeito de estufa. Devido à longa vida das partículas do gás na atmosfera mesmo que hoje fosse emitida a último grama de CO2, a temperatura do ar continuaria a subir. Para uma noção mais exacta, quando a temperatura do ar parar de aumentar, o nível médio dos mares continuará a elevar-se, durante aproximadamente cem anos, isto devido à dilatação térmica provocada pelo aumento da temperatura das águas. (A Copenhagen Climate Treaty)
De uma forma geral a COP 15 teve os seguintes resultados após os 12 dias de cimeira:
Limite máximo de 2ºC para o aumento da temperatura média da Terra no futuro;
Capítulo 2
9
Constituição de uma lista de promessas dos países desenvolvidos e em desenvolvimento para reduzir as suas emissões de CO2 ou para conter o seu crescimento,
Cria um Fundo Climático Copenhaga, com 30 mil milhões de dólares (21 mil milhões de euros) para os países pobres nos próximos três anos. E promete mais 100 mil milhões de dólares (70 mil milhões de euros) anuais a partir de 2020.
2.3 Investimentos para as energias renováveis
Com o compromisso de promover a produção de energia através de fontes de energia renovável foram adoptadas pelo Parlamento Europeu e o Conselho da União Europeia, a Directiva 2001/77/CE que visa a promoção da produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável (E-FER). Desta forma a Directiva, que surge na sequência do livro Branco “Energia para o Futuro: Fontes de Energia e Renováveis” têm os seguintes objectivos:
Aumentar até 2012, 12% da quota do consumo interno bruto de energia proveniente das fontes de energia renovável no conjunto dos países da comunidade europeia;
Aumentar até 2012, 10% da quota de energia eléctrica produzida de fontes de energia renovável.
O investimento a realizar por fonte de energia, de forma a responder aos objectivos propostos, é obtido multiplicando a variação de potência que se pretende obter de 2005 a 2012 pelo custo unitário dos projectos. Desta forma, um estudo realizado mostrou que eram necessários 6,2 mil milhões de euros do volume de investimento a realizar em fontes de energia renovável para produção de energia eléctrica. A Figura 1 mostra o estudo realizado para o investimento a realizar em Projectos de Energia Renovável para produção de energia eléctrica até 2010. (BES, 2006)
10 Figura 1 – Investimento em Projectos de Energias Renováveis (Milhões).
O investimento realizado até o corrente ano será efectuado por três principais fontes de financiamento, o financiamento bancário que representa cerca de 77%, os capitais próprios com 20% e a componente de subsídios estatais com apenas 2,9%. O apoio estatal é também referente a prémios destinados a instalações para a produção de E-FER que entrarem em funcionamento até este ano e a isenções fiscais no preço de venda dos biocombustíveis. (Livro Verde, 2006)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 6238 4326 886 383 317 200 126
11
3. Energia em Portugal
3.1 Energias renováveis
Existem diferentes fontes de energia e diversas formas de esta ser aproveitada. Antes de nos focarmos na fonte de energia em estudo, a bioenergia, é importante definirmos energia renovável.
É considerada como energia renovável toda a energia em que a sua taxa de utilização é inferior à sua taxa de renovação, ou seja, quando o consumo do Homem permite que estas fontes tenham o tempo suficiente de renovação, sendo por esta razão que o petróleo e o gás são considerados fontes de energia não renovável, pois o seu consumo é superior á sua capacidade de renovação. As fontes de energia renovável podem ainda dividir-se em armazenáveis e não armazenáveis, que tal como o próprio nome indicada são aquelas em que é possível, ou não armazenar a energia para consumo. A energia proveniente dos recursos hídricos, da biomassa e alguns recursos geotérmicos são exemplo de energia armazenável. A energia solar e a energia eólica são consideradas como fontes de energia não armazenáveis. (BES, 2006)
As fontes de energia renovável que segundo a Directiva 2001/77/CE são as fontes de energia não fósseis, abrangendo a energia eólica, solar, geotérmica, das ondas e marés, hídrica, da biomassa, de gases dos aterros e instalações de tratamento de lixo e do biogás. Este tipo de energia pode ser aproveitado para gerar electricidade, para produzir calor e ainda para produzir combustíveis líquidos. Destas fontes de energia renovável resultam as seguintes energias renováveis:
Energia Solar;
Energia Eólica;
Energia Hídrica;
Energia da Biomassa;
Energia Geotérmica;
12
Energia do Hidrogénio.
A energia solar resulta da energia contida na radiação solar, podendo esta ser transformada em energia solar térmica ou em energia solar eléctrica. Tal como o nome indica a energia térmica é utilizada, através de colectores solares, para o aquecimento de águas sanitárias, aquecimento de piscinas e aquecimento de ambiente. Ao contrário da térmica a energia solar eléctrica é aproveitada, através de paneis fotovoltaicos, para a produção de energia eléctrica. Em Portugal este tipo de energia tem ganho importância de forma significativa nos últimos anos, nomeadamente a solar térmico onde se tem verificado um aumento de cerca de 116% face ao ano de 2002, o que equivale a uma área instalada de 390 mil m2. (ADENE)
Um outro tipo de fonte de energia é o vento da qual resulta a energia eólica. Este tipo de energia pode ser convertida em energia mecânica e energia eléctrica através de turbinas eólicas ou aerogeradores. Ao nível das emissões de gases com efeito de estufa, a energia eólica é uma mais valia, uma vez que por cada MWh de energia eléctrica são reduzidas entre 0,8 a 0,9 toneladas de emissões de gases com efeito de estufa que seriam produzidas pela utilização dos combustíveis fósseis na produção da mesma quantidade de energia. Em Portugal, a energia eólica é bastante utilizada na produção de energia eléctrica. A energia eólica foi a que mais cresceu nos últimos anos em Portugal, tendo-se verificado um crescimento substancial do número de aerogeradores implantados no país, representando actualmente a produção de energia eléctrica de origem eólica cerca de 4% do consumo final de electricidade e é expectável que até 2010 represente 15%. (DGGE)
Através de barragens é possível aproveitar a energia hídrica, transformando a energia cinética da água em energia mecânica e esta em energia eléctrica. O aproveitamento dos cursos de água, para a produção de energia eléctrica, é o melhor exemplo de sucesso de utilização de fontes de energia renovável em Portugal. No decorrer do século XX, a produção de hidro-electricidade foi efectuada, principalmente, através da construção de barragens de grande ou média capacidade. Actualmente, uma parte significativa da energia eléctrica consumida em Portugal tem origem hídrica. No entanto, é preciso não esquecer que a produção deste tipo de energia está directamente dependente da pluviosidade. Quando a precipitação é mais abundante, a contribuição destas centrais
Capítulo 3
13 atinge os 40%. Pelo contrário, nos anos mais secos, apenas 20% da energia total consumida provém dos recursos hídricos. Em Outubro de 2007 o Governo elegeu a energia hídrica como uma das prioridades para o sector energético, uma vez que Portugal tem actualmente 54 por cento do seu potencial hídrico por aproveitar. Até 2010, com a duplicação da central do Alqueva e os reforços de potência do Picote e da Bemposta, Portugal deverá atingir os 5575 MW de capacidade instalada. O objectivo é alcançar os 7000 MW em 2020, aproveitando 67% do potencial hídrico do país. (DGGE)
A biomassa são os resíduos naturais ou resultantes da actividade humana, são o subproduto da pecuária, agricultura, floresta, entre outros. Através das tecnologias existentes para transformação de energia, é possível utilizar a biomassa para a produção de calor, de energia eléctrica e para a produção de combustíveis. Tal como será discutido no Capitulo 4, a biomassa pode ser dividida em alguns grupos com diferentes aplicações. Do ponto de vista energético, a biomassa é todo recurso renovável oriundo de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Assim como a energia hidráulica e outras fontes de energia renovável, a biomassa é uma forma indirecta da energia solar. Estima-se que, actualmente, que a biomassa representa cerca de 14% de todo o consumo mundial de energia primária. (DGGE)
O calor proveniente do interior da terra origina a energia geotérmica, estando este recurso associado a áreas de actividade vulcânica e sísmica, podendo este calor ser aproveitado para a produção de calor e produção de electricidade. Este tipo de energia verifica-se em grande escala nos Açores, onde 21% do consumo total de electricidade, no ano de 2008, provém da geotermia. (Portal Energias Renováveis)
A energia dos oceanos pode surgir de duas formas distintas, ou seja, da energia das marés, das ondas e das correntes ou então pode surgir da diferença de temperaturas em diferentes profundidades do mar. Actualmente este tipo de energia ainda se encontra em expansão, ou seja, na melhoria das tecnologias para o aproveitamento desta.
Por último, a energia do hidrogénio que é obtido através da extracção de outros compostos, não sendo por isto considerado uma fonte de energia primária. O hidrogénio
14 pode ser produzido através de gás natural, da biomassa ou através da hidrólise da água. (DGGE)
3.2 Produção de energia primária
Quando falamos na produção da energia final, ou seja, a energia eléctrica, o calor e os combustíveis fósseis teremos que falar nas fontes de energia primária. A energia primária é a energia extraída de fontes renováveis, como a energia eólica, a energia solar e a energia geotérmica e não renováveis como o carvão, a lenhite, o petróleo bruto, o gás natural e o urânio.
A produção de energia primária tem principal origem nas fontes de petróleo e carvão, tal como se pode verificar Figuras 2 e 3, onde se representa a produção de energia primária a nível mundial. Nestas é evidenciado a crescente utilização de fontes renováveis para a produção de energia primária, entre o ano de 2003 e 2008. (Key World Energy Statistics, 2009)
Figura 2 – Percentagem das diversas fontes de energia no ano de 2003. 35,30% 23,90% 13,30% 21,00% 6,40% 2,10% 0,50% Petróleo Carvão Outras Renováveis Gás Natural Nuclear Hidrica Geotérmica e Solar
Capítulo 3
15 Figura 3 - Percentagem das diversas fontes de energia no ano de 2008.
Em Portugal, grande parte da energia primária produzida é convertida em energia eléctrica e calor. Estas formas de energia, são posteriormente consumidos maioritariamente na indústria e no uso doméstico. A produção de energia eléctrica, no ano de 2007, surge maioritariamente de fontes não renováveis, apresentando também uma grande percentagem com origem em fontes renováveis, nomeadamente a energia hídrica que é a que apresenta maior percentagem na produção de energia eléctrica, tal como se pode verificar na Figura 4. (INE)
37,30% 20,90% 4,10% 23,70% 10,90% 2,00% 1,10% Petróleo Carvão Outras Renováveis Gás Natural Nuclear Hidrica Geotérmica e Solar
16 Figura 4 – Produção de energia eléctrica em Portugal, a partir das fontes primárias de energia no ano de
2007.
A energia térmica é também uma forma de energia que pode ser convertida a partir de energias primárias. Grande parte da energia térmica produzida em Portugal ainda provém de fontes de energia não renovável, valor este que tende a diminuir uma vez que actualmente se tem verificado um crescimento na utilização de fontes de energia renovável, como o Sol e a Biomassa, para a produção de calor. A Figura 5 descreve a produção de energia térmica em Portugal no ano de 2007. (Agência internacional energia) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 GWh
Capítulo 3
17 Figura 5 - Produção de energia térmica, em Portugal, a partir das energias primárias no ano de 2007.
Como é de esperar, o consumo final de energia não apresenta a mesma percentagem em todas as actividades realizadas em Portugal. Pode afirmar-se que é no sector da indústria e dos transportes, quer de pessoas quer de mercadorias, que este consumo é mais elevado. O sector industrial possui também um elevado consumo de energia. O consumo por sector pode ser verificado através das Figuras 6 e 7.
Figura 6 – Consumo de Energia Primária em 2007 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Tj
Produção de energia térmica
11% 54% 8% 15% 12% Carvão Petróleo Electricidade Gás natural Outros
18 Figura 7 – Evolução do consumo de energia primária (2003 – 2007)
Na Figura 8, apresenta-se a contribuição das fontes de energia renovável para a produção de energia eléctrica desde o ano de 2001 até 2009. Da análise da mesma Figura verifica-se que a energia hídrica é a que mais contribui para a produção de energia eléctrica em Portugal. (INE)
Figura 8 – Contribuição das energias renováveis para a produção de energia eléctrica (TWh) 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 2003 2004 2005 2006 2007 Co n su m o (kt e p ) Outros Gás natural Electricidade Petróleo Carvão 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Fotovoltaica Biogás RSU Biomassa s/ Cogeraração Biomassa c/ Cogeraração Eólica PCH (<= 10 MW) PCH (>10 e <=30 MW) Grande Hidrica (>30MW) Hídrica
Capítulo 3
19 Em Portugal verificou-se, no final de Dezembro de 2009, uma capacidade instalada para produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável (FER) em cerca de 9 055 MW. Este aumento de potência instalada para produção de energia eléctrica, que se verificou no final do mês de Dezembro, deve-se à entrada em funcionamento de treze novas centrais sendo quatro eólicas, três de biogás, duas de biomassa sem cogeração, duas fotovoltaicas e duas minihídricas. A incorporação de FER no consumo bruto de energia eléctrica, para efeitos da Directiva 2001/77/CE, foi de 45% em 2009. Portugal, em 2007, foi o terceiro país da União Europeia (UE15) com maior incorporação de energias renováveis. Verificou-se um aumento da produção de energia eléctrica a partir de FER, seguindo a evolução da sua componente hídrica que foi de 53% da potência instalada em 2009. Relacionando a produção registada no último trimestre de 2009 com a registada em igual período de 2008, verifica-se um acréscimo da produção (5,98 TWh vs 3,78 TWh), onde a produção hídrica cresce cerca de 80%.
20 4.1 Classificação dos recursos
Os recursos utilizados para aproveitamento da biomassa provêm de diversas actividades, tais a florestal a agrícola. Actualmente a biomassa utilizada para aproveitamento energético provém principalmente de resíduos que resultam das actividades florestais, agrícolas, indústrias, desperdícios e também de parques urbanos e jardins.
Os recursos podem ser classificados em função da origem de acordo com o apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação dos resíduos (Anastacia Nikolaou, 2003)
Sector Tipo de resíduo
Agricultura Resíduos Agrícolas Desperdícios Animais Colheitas Energia Florestal Madeira
Resíduos Florestais (ramos, bicadas, etc.) Indústria Resíduos industriais
Desperdícios Regulado Não regulado Parque e Jardins Madeira Urbana “Cut grasse”
Capítulo 4
21 Existe actualmente uma grande quantidade de resíduos que podem ser utilizados para fins energéticos. Apesar desta abundância, por vezes devido a factores económicos e técnicos, torna-se complicado adquirir estes resíduos, sendo importante avaliar os problemas de exploração da biomassa. Relativamente as áreas florestais, 56,03% apresentam elevada ou média explorabilidade sendo 47,2% o nível de explorabilidade das áreas de mato e floresta ardida (CeBio, 2008). Grande parte desta área é muitas vezes utilizada em indústrias, tal como a indústria do papel ou indústria mobiliária. Desta forma, para o aproveitamento energético, torna-se mais importante os resíduos de exploração florestal, tal como ramos e bicadas.
As indústrias de transformação de madeira, como é o caso das serrações, também produzem elevadas quantidades de resíduos. Todos estes resíduos têm um mercado, podendo ser aproveitados como combustível de caldeiras ou em estufas de secagem. O serrim é um resíduo produzido por este tipo de indústria que não apresenta um mercado elevado, sendo muitas vezes utilizado para queima.
Relativamente aos resíduos agrícolas, e ao contrário do que acontece com os recursos florestais, é mais difícil encontrar um mercado para estes, podendo potenciar-se a vertente energética com a utilização destes recursos.
Um grande problema que existe no aproveitamento energético dos resíduos, principalmente nos resíduos florestais, é o facto de fazer chegar a central de produção de energia uma parte considerável dos resíduos, uma vez que os custos de extracção e transporte da biomassa são normalmente elevados, principalmente nos matos. Outro grande problema na exploração da biomassa prende-se com as condições morfológicas do terreno, nomeadamente elevados declives, distância as redes viárias e afloramentos rochosos.
Uma alternativa para a produção de energia são as culturas energéticas, tendo estas como finalidade exclusiva a produção de energia. As culturas energéticas podem ser classificadas em florestais ou agrícolas onde cada uma delas apresenta diferentes espécies com variadas características.
22 A escolha de uma espécie adequada para a produção de energia deverá respeitar alguns parâmetros de forma a não interferir na sua finalidade. Para facilitar a escolha de uma espécie adequada consideramos como importantes os seguintes parâmetros:
Não pode ser um bem alimentar;
Escolha de uma espécie de rápido/razoável crescimento;
O seu acesso deverá ser atingível;
O seu uso poderá contribuir para o enriquecimento de terrenos e aproveitamento destes;
Responder ao máximo as melhores características para o processo de conversão de energia.
Existem outros aspectos que tornam a utilização de culturas energéticas como uma alternativa na produção de energia. O aproveitamento, ou a plantação destas culturas vai permitir o aproveitamento de terrenos que se encontram ao abandono. As culturas energéticas, devido às suas características, poderão também ser aproveitadas na limpeza de terrenos, ou seja, quando um terreno se encontra saturado, existem espécies como os grãos, que fornecem aos terrenos minerais tornando estes mais viáveis na produção de bens alimentares, que é o que normalmente se pratica actualmente na actividade agrícola. A recolha de algumas culturas poderá significar a limpeza de florestas e matos, prevenindo desta forma o risco de incêndio. Outro aspecto importante é a emissão de gases com efeito de estufa, ou seja, a redução destes.
Relativamente às culturas florestais e tendo em atenção que são culturas com finalidade energética, podemos classifica-las em três grandes grupos:
Culturas de rápido crescimento – Exóticas
Culturas de rápido crescimento – Nacionais
Matos
As culturas de rápido crescimento exóticas são culturas que não existem no nosso país e ao serem implementadas nas nossas regiões podem tornar-se plantas invasivas, como é o caso da Paulónia, Miscantus, Acacias, Jatropha, Panicum, entre outras. As
Capítulo 4
23 plantas ao serem deslocadas do seu habitat natural tendem a adaptar-se às novas condições impostas, provocando muitas vezes um elevado crescimento, tornando-a desta forma uma cultura invasiva, o que para fins energéticos é ideal devido à sua abundância, caso estas não sejam utilizadas para outros fins.
Relativamente às culturas de rápido crescimento nacionais, estas são referentes a espécies que já existem em território nacional e apresentam um crescimento elevado como é o caso do Eucalyptus, Choupos, Freixos, Castanheiro, Salgueiro, entre outros. Neste grupo de culturas é importante salientar que muitas das árvores existentes podem existir também na área agrícola, por exemplo, o Castanheiro, a Oliveira, entre outros. O que as distingue de serem florestais ou agrícolas é a sua finalidade, ou seja, se a árvore for utilizada com a finalidade de produção de fruto então é considerada agrícola, caso seja para a produção de madeira então é florestal. (BIORREG, 2006)
Os matos são também um grupo que existe em abundância e de que fazem parte plantas como o Topo, a Giesta, a Urze, a Esteva, a Carqueja, entre outras. Ocupam na maior parte dos casos os terrenos incultos, que são frequentemente considerados inúteis, e estão associados ao abandono e à degradação do meio. Na região Mediterrânica ocorrem várias formações vegetais arbustivas, que muitas vezes surgem como resultado das acções humanas, mas também devido às limitações impostas pelas condições ambientais. Este grupo apresenta uma elevada diversidade de espécies que crescem a um ritmo elevado, o que se torna uma vantagem caso estas sejam utilizadas na produção de energia. (CeBio, 2008)
Existem naturalmente culturas em que o seu crescimento é muito lento, não sendo desta forma uma cultura indicada para a produção de energia, uma vez que para a produção de energia é necessária uma produção de biomassa constante. O Sobreiro é um dos exemplos deste tipo de espécie. Mas uma árvore que tenha um crescimento rápido pode também ser considerada como uma espécie de crescimento lento caso a sua produção tenha outra finalidade, ou seja, se o seu crescimento se destinar à produção de madeira para o mobiliário então este crescimento pode ser lento, pois terá que adquirir um certo porte, mas se a sua finalidade for a produção de biomassa o seu crescimento é mais rápido.
24 As culturas agrícolas podem também ser utilizadas para a produção de energia. De forma a conseguirmos seleccionar a melhor espécie a ser utilizada classificamos as culturas agrícolas em cinco grupos, com base na sua aplicação:
Grãos;
Plantas Oleaginosas;
Tubérculos;
Ervas e planas medicinais;
Árvores.
Muitas destas culturas são utilizadas com outra finalidade, tal como a alimentação, fins medicinais, entre outras. O grupo dos grãos é dos grupos mais utilizados na alimentação, como por exemplo o arroz, o milho, o sésamo, o sorgo e o trigo, podendo desta forma não ser uma das melhores culturas para a conversão energética. Relativamente ao grupo das plantas oleaginosas, podemos referir a colza, o cardo, a mamona, o cártamo, o girassol e a camelina. Este grupo de plantas é caracterizado pelos óleos que possuem. Estes óleos podem ser utilizados para o aproveitamento energético, nomeadamente para a produção de biocombustíveis.
As plantas oleaginosas são consideradas as mais promissoras para o aproveitamento energético. São o caso da colza e da camelina, que apresentam as melhores características para este fim. Em Portugal, devido às condições de plantação que este grupo apresenta, pode considerar-se que a sua implementação é muito favorável.
Tal como acontece com os grãos, os tubérculos também são utilizados na alimentação, sendo considerados um bem essencial com elevado valor nutritivo e como tal não deverão ser considerados como hipótese para a implementação de uma cultura energética tendo como fim o aproveitamento energético. Relativamente ao grupo das ervas e plantas medicinais, tal como acontece nos outros grupos, existem inúmeras espécies, podendo algumas destas apresentar excelentes características para produção de energia.
No grupo das árvores, estas são consideradas como agrícola quando a sua finalidade é a produção agrícola, ou seja a produção de fruto, sendo este um bem alimentar. Este
Capítulo 4
25 grupo pode ser aproveitado para produção de energia no que respeita a resíduos, ou seja, na altura em que é realizada a poda das espécies, estes resíduos poderão ser aproveitados. Nunca se poderá utilizar a espécie completa, uma vez que esta produz fruto sendo este considerado um bem alimentar.
4.2 Quantificação
As culturas florestais e agrícolas existentes em Portugal não são as únicas que ocupam o solo continental, este é também utilizado em áreas sociais, águas interiores e possivelmente existirá solo que não é utilizado, podendo ser uma escolha para a implementação de novas culturas. Desta forma é importante conhecer a área de solo utilizado quer a nível florestal, quer a nível agrícola. Segundo o Ministério da Agricultura, do Desenvolvimento Rural e das Pescas, no ano de 2007, o solo Continental Português era ocupado maioritariamente por floresta, agricultura e matos, tal como se pode ver na Figura 9.
Figura 4 – Uso do Solo
Floresta 38,4% Agricultura 34% Matos 21,3% Áreas Socias 4,6% Águas interiores 1,6%
26 As percentagens referentes à floresta e à agricultura englobam diferentes tipos de culturas em diversas regiões do país. Desta forma é importante conhecer as diferentes espécies existentes em cada sector e as áreas ocupadas por cada cultura nas diversas regiões.
4.2.1 Florestal
A floresta portuguesa é tradicionalmente composta por nove classes de povoamentos florestais definidos pela espécie de árvores dominantes que são as seguintes:
Pinheiro Bravo; Sobreiro; Eucaliptos; Azinheira; Carvalhos; Pinheiro Manso; Castanheiro; Outras folhosas; Outras resinosas.
Segundo a Carta da Tipologia Florestal de Portugal Continental podemos avaliar a área de algumas espécies. Para o ano de 2005, na Tabela 2 são apresentadas as áreas de ocupação das diferentes espécies.
Capítulo 4
27 Tabela 2 – Espécies florestais
Tipo de Floresta Área (ha) %
Carvalho Negral 13791 0,4
Outros carvalhos de folha
caduca 3583 0,1
Medronhal 15636 0,5
Esteval 249382 7,5
Giestal 145319 4,3
Acacial 18551 0,6
Sobreiral aberto e baixo 18975 0,6 Sobreiral aberto e alto 45184 1,3 Sobreiral fechado e baixo 167030 5,0 Sobreiral fechado e alto 99705 3,0 Pinhal bravo aberto e baixo 35896 1,1 Pinhal bravo aberto e alto 86345 2,6 Pinhal bravo fechado e baixo 507925 15,2 Pinhal bravo fechado e alto 281266 8,4 Eucapital aberto e baixo 27425 0,8 Eucapital aberto e alto 96286 2,9 Eucapital fechado e baixo 206084 6,2 Eucapital fechado e alto 211545 6,3 Diversa aberta e baixa 553203 16,5 Diversa aberta e alta 295621 8,8 Diversa fechada e baixa 223535 6,7 Diversa fechada e alta 39310 1,2
28 A partir do último Inventário Florestal Nacional, ano de 2005/06, pode retirar-se alguma informação sobre as áreas ocupadas pela floresta e matos e também as principais espécies florestais. A Tabela 3 mostra as áreas dos solos em uso em Portugal Continental, onde podemos verificar que a floresta ocupa cerca de duas vezes mais que a área ocupada por matos.
Tabela 3 – Áreas em uso
Uso de Solo Área (103 ha)
Floresta 3 412,3
Matos 1 898,6
Através do Inventário Florestal Nacional regional é possível avaliar qual a região que apresenta maior área em uso de floresta e de matos, desta forma e tal como podemos verificar nas Figuras 10 e 11, a região do Alentejo é a que apresenta maior área em uso de floresta, e a região norte é a que apresenta maior área em uso de matos.
Figura 5 - Área em uso de Floresta por região 18% 29% 13% 36% 4% Norte Centro
Lisboa e Vale doTejo Alentejo
Capítulo 4
29 Figura 6 - Área em uso de Matos por região
Tal como já foi referenciado anteriormente, a floresta é composta por diferentes espécies, que são classificadas em nove classes de povoamentos florestais. As áreas destes povoamentos são também conhecidas a nível nacional e também por região. A Tabela 4 mostra as áreas ocupadas por cada espécie.
Tabela 4 - Área das espécies dominantes
Espécies florestais dominantes Área florestal (103 ha)
Pinheiro Bravo 710,6 Sobreiro 736,7 Eucaliptos 646,7 Azinheira 388,3 Carvalhos 117,9 Pinheiro Manso 83,9 Castanheiro 28,2 Outras folhosas 96,8 Outras resinosas 14,2 36% 35% 7% 13% 9% Norte Centro
Lisboa e Vale doTejo Alentejo
30 Avaliando a área ocupada por cada espécie por região verifica-se que as regiões Norte, Centro e Alentejo são as que apresentam uma maior área ocupada pelas espécies dominantes, tal como se pode verificar na Figura 12.
Figura 7 - Área por espécie em cada região (103 ha)
4.2.1 Agrícola
Relativamente às culturas agrícolas existem diversas espécies produzidas em Portugal. O INE (Instituto Nacional de Estatísticas) utiliza a classificação expressa na Tabela 5 para contabilizar o uso do solo no Continente no ano de 2009. Nesta Tabela estão incluídas as culturas mencionadas no último anuário vegetal.
As pastagens permanentes são as que apresentam maior superfície ocupada dentro das culturas agrícolas. As pastagens permanentes são constituídas por plantas semeadas ou espontâneas, normalmente herbáceas, que se destinam à alimentação do gado no local onde vegetam, ocupando o solo por um período superior a 5 anos. Outra grande superfície ocupada por culturas agrícolas, são as terras aráveis, ou seja, terras cultivadas destinadas à produção vegetal e terras ocupadas por estufas ou cobertas por estruturas fixas ou móveis. (INE)
0 100 200 300 400 500 600 Norte Centro
Lisboa e Vale do Tejo Alentejo
Capítulo 4
31 Tabela 5 – Área das principais superfícies agrícolas
Superfície Área (ha)
Terra Arável 1077704
Horta Familiar 18410
Culturas Permanentes 596246 Pastagens Permanentes 1780579
Total 3472939
A horta familiar e as culturas permanentes são as ocupam menor superfície. A horta familiar é uma superfície inferior a 20 acres, estando reservada à cultura de produtos para consumo próprio e não para venda. As culturas permanentes ocupam a terra durante um longo período e fornecem repetidas colheitas.
É também possível avaliar as áreas de ocupação das principais espécies existentes em Portugal. A Tabela 6 indica as principais espécies agrícolas produzidas em Portugal e a sua produção no ano de 2007. (INE)
Através da Tabela 6 pode verificar-se que as culturas de cereais e as culturas para indústria são as de maior produção em Portugal. As culturas industriais, tal como colza, girassol, soja, entre outras destinam-se a transformação industrial.
É importante destacar que a maioria destas espécies agrícolas são utilizadas para consumo alimentar, não sendo logo à partida a melhor escolha para uma cultura energética. Mesmo sendo utilizadas para alimentação, estas culturas podem dar um contributo para a produção de energia. No caso das árvores de frutos, na sua poda os seus ramos e bicadas podem ser utilizados para fins energéticos. Outro exemplo de aproveitamento destas culturas é o óleo que algumas produzem, como é o caso da colza, ou então o aproveitamento de resíduos de espécies que não utilizados para fim alimentar, por exemplo o arroz ou o milho em que pode ser utilizado o restante da colheita que normalmente é queimado.
32 Tabela 6 – Principais Culturas Agrícolas
Principais Culturas Agrícolas Quantidade (t)
Cereais 1309684
Leguminosas secas 3854
Batata 566556
Beterraba 137001
Culturas para Indústria 1165190
Frutos frescos excepto citrinos 543058
Citrinos 255627 Frutos secos 35865 Vinha 762969 Olival 345825 Culturas Hortícolas x Total 5125629
33
5. Processos de Transformação
Como foi referido anteriormente, existem diferentes tipos de espécies quer a nível florestal, quer a nível agrícola. Tal como acontece com as culturas, existem também diferentes métodos de conversão da biomassa em energia, dependendo do tipo de cultura e do tipo de energia que se pretende obter e das condições em que se apresenta a biomassa, como por exemplo o teor de humidade. Desta forma os processos de conversão podem ser divididos em três grandes grupos, o de conversão química, o de conversão físico-química e o de conversão biológica, tal como podemos ver na Figura 13. (CBE, 2008)
Figura 8 – Processos de conversão
O processo de conversão a utilizar para obtenção de energia depende do tipo de cultura e do que se quer obter desta. Nas culturas florestais, uma vez que o produto final
Conversão Química Combustão Gasificação Liquefação Esterificação Pirólise Físico-química Prensagem Extração Tratamento químico Biológica Digestão anaeróbica Fermentação
34 extraída dos matos e da agricultura temos que ter em atenção as características de cada cultura, ou seja, se for uma cultura em que o objectivo é a extracção de um óleo, como é o caso da colza, os processos físico-químicos serão os mais indicados. Caso seja uma cultura em que o objectivo é a sua degradação, neste caso a conversão biológica é a mais indicada.
A partir destes processos de conversão, para além da energia térmica e energia eléctrica que se pode obter da combustão directa, também se pode obter outros tipos de energia, como é o caso do biodiesel, o etanol e o metanol. O biodiesel pode ser obtido a partir da esterificação que consiste em um processo químico que faz a separação dos óleos vegetais, um exemplo de uma cultura utilizada neste processo é a colza, a soja, o girassol, entre outros. O etanol é obtido através da fermentação que consiste na conversão anaeróbica de compostos orgânicos pela acção de microrganismos. Relativamente ao metanol, este é obtido pelo processo químico, a gasificação, ou seja, o aquecimento da biomassa em presença de oxidante (ar ou oxigénio). (CBE, 2008)
Os processos de conversão química podem ser utilizados para a conversão de todos os tipos de culturas de biomassa, mas que apresentem um baixo teor de humidade, como por exemplo as culturas lenhosas. Os processos biológicos, ao contrário do que acontece com a conversão química, admitem teores de humidade mais elevados, como é o caso dos legumes, milho, sorgo, entre outros. Relativamente aos processos físico-químicos são outra forma de produção de energia, sendo estes considerados processos mecânicos, por exemplo a extracção do óleo da colza, da soja, entre outras.
Os processos de conversão química englobam a combustão, a gasificação, a esterificação, a liquefacção e a pirólise. A combustão é um processo bastante utilizado na conversão da biomassa para a produção de energia térmica e electricidade. A pirólise e liquefacção são processos muitas vezes confundidos entre si, pois em ambos a matéria orgânica é convertida em produtos líquidos, sendo a principal diferença entre eles a presença de um catalisador, ou seja, no processo de liquefacção é utilizado um catalisador. Neste processo para além do uso de um catalisador a conversão é realizada a baixa temperatura e a alta pressão.
A pirólise é então um processo que ao aquecer a biomassa na ausência de ar transforma a biomassa em líquidos (bio-óleo, bio-crude), carvão e gases não
Capítulo 5
35 condensáveis, ácido acético, acetona e metanol. Este processo pode obter uma eficiência de 70%, sendo dos processos de conversão mais eficientes na conversão da biomassa.
O processo de gasificação é uma forma de pirólise que é realizada a altas temperaturas a fim de optimizar a produção de gás. O gás resultante é uma mistura de monóxido de carbono, hidrogénio e metano, juntamente com o dióxido de carbono e nitrogénio e é mais versátil do que o obtido da biomassa sólida (geralmente de madeira ou carvão). Este gás pode ser queimado para produzir calor ou utilizado em turbinas a gás para produzir energia eléctrica, em que normalmente apresenta uma eficiência de 50%.
Relativamente aos processos bioquímicos, e como se pode ver na Figura 13, temos a digestão anaeróbica e a fermentação. A digestão anaeróbia é a decomposição da biomassa através da acção bacteriana na ausência de oxigénio que produz uma mistura de gás metano e dióxido de carbono. A esta mistura dá-se o nome de biogás e é normalmente produzido usando dejectos animais misturado com água, que é agitado no interior de um recipiente hermético, conhecido como um digestor. O biogás produzido pode ser queimado directamente para aquecimento ou utilizado como combustível nos motores de combustão interna, ou então para gerar energia eléctrica.
Outro processo bioquímico é a fermentação em que o seu principal produto é o etanol que pode ser produzido a partir de biomassa que contenha açúcares, amido ou celulose. A mais conhecida fonte de etanol é a cana-de-açúcar, mas existem outros materiais podem ser utilizados, incluindo trigo e outros cereais, beterraba e madeira. Tipicamente, o açúcar é extraído da biomassa vegetal, por trituração e é misturado com água morna e fermento e mantida em grandes tanques chamados fermentadores. O etanol pode ser usado como um complemento ou como um substituto para a gasolina nos carros.
O esquema que se segue destina-se à compreensão dos processos de conversão a ser utilizados nas diferentes culturas para obtenção de diferentes formas de energia.
36 Gás
Madeira
Figura 14 - Fontes de energia e processos de conversão (André Faaij, 2004) Florestais e Matos Agrícolas F erme ntaç ão e Dig estão Óleo Pirólise Biogá s Etanol Biodie sel C ombus tão e hidróli se Gasifica ção Prensagem Biocombustíve is Electricidade Calor Extracção Lenho Celulósico Pirólis e Conversão Química Conversão Biológica Lípidos Plantas Sacarinas Lenho Celulósico
Capítulo 5
37 Tal como se pode verificar pela Figura 14, as diferentes formas de energia podem ser obtidas a partir de diversas culturas podendo em cada uma delas serem utilizados os diferentes processos, dependo do que se pretende obter.
Para avaliar uma cultura energética é importante avaliar o seu potencial, este que depende das características das culturas, da quantificação das espécies, dos processos de conversão e das condições em que estes são aplicados. Ao longo deste trabalho foram analisadas as diferentes culturas existentes, a sua quantificação e os processos de conversão que permitem obter a energia pretendida. Assim para que seja mais fácil analisar a junção das diferentes características pode-se enumerar as características, ou seja relativamente à classificação dos recursos temos:
Recursos Florestais – R1
Recursos Agrícolas – R2
Matos – R3
Cada tipo de recurso apresenta diversas espécies e desta forma a sua quantificação é mais acessível que for de uma forma geral, ou seja:
Quantificação dos recursos florestais – Q1
Quantificação dos recursos agrícolas – Q2
Quantificação de matos – Q3
Relativamente aos processos de conversão, e tal como já foi referido para cada tipo de cultura é possível utilizar diferentes processos, dependendo estes do tipo de espécie e do tipo de energia que se pretende obter. Mas de uma forma geral os processos podem ser enumerados segundo o seu tipo de processo, isto é:
Processos Químicos – P1
Processos Físico-químicos – P2
Processos Biológicos – P3
A multiplicação dos factores apresentados fornece-nos o potencial de cada tipo de recurso. É importante salientar que o potencial poderá variar se o processo de conversão
38 consoante o processo utilizado. O cálculo do potencial pode ser analisado através da seguinte matriz:
Na análise do potencial é importante que se tenha em conta as características que cada tipo de espécie apresenta, isto porque as suas características afectam o processo de conversão. Para além destas é importante conhecer as condições em que se devem encontrar estas para que se possa obter o máximo rendimento de cada espécie. Desta forma os factores que são relevantes para a conversão da biomassa em energia são as numeradas na Tabela 7.
Tabela 7 – Factores que afectam o potencial de uma cultura.
Factores Humidade Tamanho Densidade Valor Calorífico Quantidade de carbono Cinza Forma Estrutura Ambiente Taxa de aquecimento Temperatura Composição Índice Alcalino
Capítulo 5
39 Os factores enumerados têm um efeito diferente na obtenção de energia para cada processo de conversão, ou seja, alguns destes factores podem afectar quando é utilizado um processo de conversão química, mas quando é utilizado um processo de conversão biológico o seu efeito não será o mesmo. Apesar de podermos utilizar diferentes processos para a produção de energia, neste trabalho irá dar-se maior relevo ao processo de combustão, isto porque será o processo a ser utilizado na parte laboratorial, que consiste na obtenção do poder calorífico e outras características de algumas espécies.
5.1 Processo de Combustão
O processo de combustão já é utilizado há diversos anos no nosso quotidiano para a produção de calor, sendo ainda um dos processos mais usuais na obtenção de energia sob a forma de calor e produção de energia eléctrica. A combustão é um fenómeno físico-químico caracterizado por reacções de oxidação, onde são libertadas grandes quantidades de energia sob a forma de calor ocorrendo, geralmente, em meio gasoso compressível.
O processo de combustão pode ser exemplificado pela seguinte equação:
Os reagentes, o metano e o oxigénio, reagem entre si e formam CO2 e H2O como
produtos, libertando calor durante a reacção. Tal como se pode verificar através da equação, denominada por reacção estequiométrica, por cada átomo de carbono são necessários dois átomos de oxigénio para formar CO2 e para cada átomo de hidrogénio é
necessário um átomo de oxigénio para formar uma molécula de água. (CBE, 2008) A reacção anteriormente apresentada diz respeito a um processo de combustão onde o oxigénio utilizado é puro, ou seja, está separado do nitrogénio. Este facto não se justifica na maioria dos processos devido ao custo que esta separação implica. Desta forma, para o caso onde ocorre combustão com o oxigénio do ar onde cada molécula de oxigénio carrega 3,76 moléculas de nitrogénio a reacção estequiométrica apresenta-se da seguinte forma:
40 A principal desvantagem da presença do oxigénio do ar é o facto de o nitrogénio não reagir. O nitrogénio, que é um inerte, reduz a temperatura da chama e consequentemente a temperatura dos gases resultantes da combustão. A presença do nitrogénio, a altas temperaturas, dissocia-se e associa-se com oxigénio livre formando NO que ao reagir com o oxigénio do ar forma um poluente.
O processo de combustão de sólidos consiste em 4 fases distintas, Secagem, Pirólise, Oxidação e Pós combustão, estes que podem acontecer simultaneamente em diferentes regiões da biomassa, tal como podemos analisar na Figura 15.
Capítulo 5
41 Figura 15 – Processo de Combustão (Eduardo Barreto et al, 2008)
O processo de aquecimento e Secagem é responsável por remover a humidade existente na biomassa sólida através do fornecimento de calor, provocando a evaporação da água. O processo que segue a secagem da biomassa é a Pirólise que consiste na
Partícul as Sólidas Vapor de Água água Calor Aquecimento e Secagem Pirólise Partículas Sólidas Calor Oxidação Voláteis não condensáveis Voláteis condensáveis Carvão Radica is Região Fria Carbono não Queimado Inertes Produtos de Combustão Emissões de orgânicos gasosos Particulados Pós Combustão Calor Ar Ar
