Análise de viabilidade técnica e econômica do recolhimento de palha de cana-de-açúcar por forrageira e colheita integral

(1)

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA

CAMILA FERREIRA NETTO

ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO

RECOLHIMENTO DE PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR POR

FORRAGEIRA E COLHEITA INTEGRAL

CAMPINAS 2018

(2)

CAMILA FERREIRA NETTO

ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO

RECOLHIMENTO DE PALHA DE CANA-DE-AÇÚCAR POR

FORRAGEIRA E COLHEITA INTEGRAL

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Engenharia Agrícola, na Área de Máquinas Agrícolas.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Sérgio Graziano Magalhães

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA CAMILA FERREIRA NETTO, E ORIENTADA PELO PROF. DR. PAULO SÉRGIO GRAZIANO MAGALHÃES.

CAMPINAS 2018

(3)

(4)

Este exemplar corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado defendida por Camila Ferreira Netto, aprovada pela Comissão Julgadora em 02 de Fevereiro de 2018, na Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas.

________________________________________________________________ Prof. Dr. Paulo Sergio Graziano Magalhães– Presidente e Orientador

FEAGRI/UNICAMP

______________________________________________________________ Profa. Dra. Terezinha de Fátima Cardoso – Membro Titular

CNPEM/CTBE

________________________________________________________________ Prof. Dr. Jorge Luís Mangolini Neves – Membro Titular

CNPEM/CTBE

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica da discente.

(5)

AGRADECIMENTOS

À Faculdade de Engenharia Agrícola e Laboratório de Máquinas Agrícolas e Agricultura de Precisão – LabMAAP pelo apoio institucional.

Ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais – CNPEM, em especial ao Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol – CTBE pelo suporte técnico, científico e material, infraestrutura e apoio financeiro para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Projeto Sugarcane Renewable Electricity - Sucre pela oportunidade de desenvolver este trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES pela bolsa de mestrado.

Ao Prof. Paulo Graziano pela orientação e oportunidade de desenvolver este trabalho.

Ao pesquisador Doutor Paulo Eduardo Mantelatto pela coorientação, direcionamento das análises em laboratório, disponibilidade e apoio.

À Doutora Terezinha de Fátima Cardoso pela atenção, disponibilidade, incentivo, sugestões e ensinamentos durante a realização deste trabalho.

À equipe de recolhimento e indústria do projeto Sucre, em especial ao Caio Soares, Carlos Roberto Trez, Daniel Duft, Fábio Okuno, pela amizade, convivência, ensinamentos, motivação, confiança e apoio.

Ao apoio dos amigos e integrantes do LabMAAP e GITAP, em especial Marcelo, Julyane, Marcos, Micael e Thiago.

À convivência, amizade, companheirismo e atenção dos amigos de sala no CTBE, em especial Bruna, Leandro, Sarah, Carla e João.

Às amigas: Jéssica, Thuane, Fernanda, Emanueli e Raquel agradeço todo apoio, incentivo, amizade, carinho e paciência.

À minha família, por toda motivação e suporte, em especial meus pais: Hugo e Ivonete, Celso e Marli. Aos meus irmãos: Gustavo e Fernanda, em especial, agradeço todo apoio intelectual e científico da minha irmã Mayra.

(6)

RESUMO

A proibição da queima dos canaviais contribuiu para a substituição gradual da colheita manual pela colheita mecanizada. A palha proveniente da colheita mecanizada de cana-de-açúcar vem sendo utilizada no processo de queima em caldeira para produção de energia elétrica. Atualmente, para utilizar a palha para queima misturada ao bagaço, as usinas vêm considerando a qualidade, o custo de recolhimento da palha (considerando o trajeto do campo até a caldeira) e o custo de processamento na indústria. Diante disso, este trabalho teve como objetivo avaliar técnica e economicamente duas rotas de recolhimento de palha do campo até a usina. A duas rotas avaliadas neste trabalho foram o recolhimento de palha a granel, por forrageira (rota 1) e recolhimento de palha por meio da colheita integral (rota 2). Foi investigado a qualidade do bagaço, palha e mistura de palha e bagaço para queima em caldeiras, sendo caracterizados de acordo com o teor de umidade, impureza mineral e granulometria. Além disso, foi avaliado o custo de recolhimento da palha para as duas rotas, por meio do software CanaSoft. Analisando os resultados de qualidade, os teores médios de umidade (b.u.) para o bagaço, palha e mistura (palha e bagaço), para rota 1, foram, respectivamente, 45,54%, 13,42% e 41,43%. Na rota 2, os teores de umidade foram 49,76% para o bagaço, 67,21% para a palha e 51,34% para a mistura. Nas duas rotas analisadas a umidade do bagaço se apresentou bem uniforme de acordo com o esperado (± 50%). A palha, na rota 1, apresentou umidade bem abaixo da umidade do bagaço, devido a exposição da palha ao sol, uma vez que o recolhimento foi realizado alguns dias (±10 dias) após a colheita. Para as duas rotas a umidade da mistura está bem próxima ao recomendável (± 50%), sendo passíveis de utilização para queima em caldeiras. O recolhimento de palha via colheita integral apresentou menor custo em todos os cenários. A restrição da carga de transporte de carga, devido à “Lei da Balança”, favoreceu o recolhimento via colheita integral em razão do melhor aproveitamento da capacidade volumétrica do rodotrem. O aumento da distância de transporte favoreceu o aumento do custo de recolher a palha para as duas rotas, em todos os cenários; porém, a rota 2 apresentou custos mais atrativos em comparação à rota 1. O custo de recolhimento da rota 1 foi mais atrativo para 20% de recolhimento da área em todos os cenários, sendo também mais atrativo no cenário sem “Lei da Balança” em distâncias maiores que 60 km com 80 Mg ha-1 _{e 50% de recolhimento de palha.} Compreendemos que a melhoria das operações mecanizadas pode influenciar positivamente no material entregue para queima; além disso, as duas rotas de recolhimento apresentaram grande potencial de utilização para contribuir com a produção de bioeletricidade na matriz energética brasileira.

Palavras chave: Bioenergia, colhedora de cana-de-açúcar, recolhimento a granel, cogeração de energia

(7)

ABSTRACT

Mechanized sugarcane green harvesting has been adopted in Brazil with the restriction of sugarcane burning. Sugarcane mills are using straw from mechanical sugarcane harvesting for electricity production. Currently, to use mix (straw and bagasse), mills have been considering the quality, the straw recovery cost (considering path from field to boiler) and processing cost in industry. Thus, the aim of this study was to evaluate the biomass quality used in sugarcane mills and recovery costs for two routes. The first route is hay harvesting (route 1) and the second route is integral harvesting (route 2). The quality of the bagasse, straw, and mix (bagasse and straw) for burning in boilers was characterized according to moisture content, mineral impurities, and granulometry. The costs were determined using CanaSoft model, which is intended for simulation and assessment of the most important agricultural parameters of biomass production system alternative. Analyzing the quality results, the mean moisture content (wt) for bagasse, straw, and mix for route 1 were 45.54%, 13.42% and 41.43%, respectively. For route 2, moisture contents were 49.76% for bagasse, 67.21% for straw, and 51.34% for mix. For two routes, the bagasse moisture content was as expected (± 50%). The moisture content of straw, on route 1, was lower than bagasse moisture content, due to sun exposure straw, around 10 days after harvest. For two routes, the moisture content of mix was according to recommended (± 50%), being able to use for burning in boilers. The straw recovery by integral harvesting showed lower cost in all scenarios. The load restriction favored recovery by integral harvesting, due to the best utilization of the volumetric capacity of transport. Increased transport distance favored the increased cost recovery for two routes in all scenarios; however, route 2 presented more attractive costs compared to route 1. The recovery cost of route 1 was more attractive to 20% of recovery area to all scenarios as well as in scenario without load restriction at distances greater than 60 km with 80 Mg ha-1 and 50% straw recovery. We understand that the improvement of mechanized operations can positively influence the material delivered for burning; in addition, the two recovery routes presented great potential to contribute to bioelectricity production in brazilian energy matrix.

(8)

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Componentes da cana-de-açúcar 17

Figura 2 – Colheita mecanizada de cana-de-açúcar para alguns municípios do estado de São

Paulo na safra 2016/2017 20

Figura 3 – Diagrama da colhedora de cana-de-açúcar 21

Figura 4 – (a) Operação de aleiramento da palha de de-açúcar e (b) leira de palha de

cana-de-açúcar 22

Figura 5 – Enfardamento de palha de cana-de-açúcar 22

Figura 6 – Recolhimento de palha de cana-de-açúcar via forrageira 23 Figura 7 - Produção de Energia das Unidades Industriais de Cana-de-açúcar Signatárias do Protocolo Agroambiental, por RA, estado de São Paulo, Safra 2015/16 27 Figura 8- Ponto de coleta das amostras de bagaço no último terno da moenda na usina 30 Figura 9 - Ponto de coleta de amostra de palha após o descarregamento no pátio da usina

próximo ao monte de bagaço 31

Figura 10- Ponto de coleta das amostras de mistura de palha e bagaço no pátio da usina após a

mistura da palha e bagaço 31

Figura 11 - Ponto de coleta das amostras de palha lavada na esteira de correia na usina 32 Figura 12 – Ponto de coleta de amostra de bagaço e de mistura durante o transporte no Chute

Donelly da moenda dentro da usina 32

Figura 13 - Composição e homogeneização das cinco subamostras (b.s.) para obter uma

amostra de cada tipo (bagaço, palha e mistura) 33

Figura 14 - Moagem das amostras de bagaço, palha e mistura para queima no forno mufla 34 Figura 15 - Determinação do teor de umidade das amostras após o processo de moagem 34 Figura 16 - Pesagem das amostras em cadinhos em balança de precisão para a queima em forno

mufla 35

Figura 17 - Cadinhos acomodados no interior do forno mufla para queima 35

Figura 18 - Lavagem das amostras no desfibrador 36

Figura 19 – Peneiramento da amostra após a lavagem 36

Figura 20 - Agitador de peneiras Analysette 3 PRO 37

Figura 21 - Estrutura do modelo com os diferentes módulos de cálculo 39 Figura 22 – Cálculo do custo de recolhimento de palha para as duas rotas estudadas 42 Figura 23 - Cenários para o cálculo do custo de recolhimento de palha 43 Figura 24 – Distribuição granulométrica do bagaço, da rota 1, para os três horários de

amostragem 52

Figura 25 - Distribuição granulométrica da palha, da rota 1, para os três horários de amostragem 53 Figura 26 - Distribuição granulométrica da mistura de palha e bagaço, da rota 1, para os três

horários de amostragem 54

Figura 27 - Distribuição granulométrica do bagaço, da rota 2, para os três horários de

amostragem 54

Figura 28 - Distribuição granulométrica da palha, da rota 2, para os três horários de amostragem 55

(9)

Figura 29 - Distribuição granulométrica da mistura de palha e bagaço, da rota 2, para os três

horários de amostragem 56

Figura 30 – Custo de colmo e de recolhimento de palha sem “Lei da Balança” para as rotas 1 e 2, para 30% e 50% de recolhimento de palha para as produtividades de 65 Mg ha-1_{e 80 Mg ha}

-1 ₆₀

Figura 31 – Quantidade de palha recolhida para 30% e 50% de taxa de recolhimento, nas

produtividades de 65 Mg ha-1 e de 80 Mg ha-1 61

Figura 32 – Custo de colmo e de recolhimento de palha com “Lei da Balança” para as rotas 1 e 2, para 30% e 50% de recolhimento de palha para as produtividades de 65 Mg ha-1 e 80 Mg ha

-1 ₆₂

Figura 33 – Custo de recolhimento para colheita integral com e sem “Lei da Balança” para 30% e 50% de taxa de recolhimento e para 65 Mg ha-1e 80 Mg ha-1 63 Figura 34 – Custo total da palha para 30% e 50% de taxa de recolhimento e 65 Mg ha-1 e 80

Mg ha-1 para o cenário com e sem “Lei da Balança” 66

Figura 35 – Custo de recolhimento de palha para diferentes distâncias de transporte, com 65

Mg ha-1, para 30% e 50% de taxa de recolhimento 67

Figura 36 - Custo de recolhimento de palha para diferentes distâncias de transporte, com 80 Mg

ha-1, para 30% e 50% de taxa de recolhimento 67

Figura 37 - Custo de recolhimento de palha para diferentes distâncias de transporte, com 65 Mg ha-1 e “Lei da Balança” (LB), para 30% e 50% de taxa de recolhimento 68 Figura 38 - Custo de recolhimento de palha para diferentes distâncias de transporte, com 80 Mg ha-1 e com “Lei da Balança” (LB), para 30% e 50% de taxa de recolhimento 69 Figura 39 – Custo de recolhimento de palha para diferentes porcentagens de área recolhida, com 65 Mg ha-1, para 30% e 50% de taxa de recolhimento, sem “Lei da Balança” 70 Figura 40 - Custo de recolhimento de palha para diferentes porcentagens de área recolhida, com 80 Mg ha-1_{, para 30% e 50% de taxa de recolhimento, sem “Lei da Balança”} ₇₀ Figura 41 - Custo de recolhimento de palha para diferentes porcentagens de área recolhida, com 65 Mg ha-1, para 30% e 50% de taxa de recolhimento, com “Lei da Balança” 71 Figura 42 - Custo de recolhimento de palha para diferentes porcentagens de área recolhida, com 80 Mg ha-1, para 30% e 50% de taxa de recolhimento, com “Lei da Balança” 72

(10)

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Análise imediata dos componentes da cana-de-açúcar 18

Tabela 2 – Análise imediata da palha de cana-de-açúcar 18

Tabela 3 – Análise elementar dos componentes da cana-de-açúcar 19 Tabela 4 - Combinações usuais no transporte de cana-de-açúcar 25 Tabela 5 - Composição elementar de bagaço e palha (folhas verdes, folhas secas e ponteiro) 28 Tabela 6 - Sequência das aberturas das peneiras utilizadas para os três tipos de amostras 37 Tabela 7 - Variáveis de entrada dos módulos de cálculos do CanaSoft 38 Tabela 8 – Parâmetros da colhedora utilizados na colheita integral 40

Tabela 9 – Parâmetros utilizados para o rodotrem 41

Tabela 10 – Teor de umidade (% b.u.) das amostras de bagaço, palha e mistura para a rota 1 47 Tabela 11 - Teor de umidade (% b.u.) das amostras de bagaço, palha e mistura para a rota 2 48 Tabela 12 – Impureza mineral das amostras de palha, bagaço e mistura, para a rota 1 49 Tabela 13 - Impureza mineral das amostras de palha, bagaço e mistura para a rota 2 50

Tabela 14 – Classificação do Teor de Impurezas Minerais 51

Tabela 15 – Parâmetros da operação de aleiramento 57

Tabela 16 - Parâmetros da operação de recolhimento via forrageira 58 Tabela 17 - Parâmetros da operação de transporte da palha 58 Tabela 18 – Custo de investimento nos equipamentos do SLS 64

Tabela 19 – Custo dos serviços para o SLS 64

Tabela 20 – Custo de manutenção e operação do SLS 65

Tabela 21 – Quantidade de palha recolhida (Mg) para 30% e 50% de taxa de recolhimento de palha, para as produtividades de 65 Mg ha-1 e 80 Mg ha-1 65 Tabela 22– Dados referentes ao cenário da rota de recolhimento via forrageira, com 30% de

recolhimento de palha com 65 Mg ha-1 ₈₁

Tabela 23 – Dados referentes ao cenário da rota via forrageira, com 50% de recolhimento de

palha com 65 Mg ha-1 81

Tabela 24– Dados referentes ao cenário da rota de recolhimento via colheita integral, com 30%

de recolhimento de palha com 65 Mg ha-1 82

de recolhimento de palha com 65 Mg ha-1 ₈₂

Tabela 26– Dados referentes ao cenário da rota de recolhimento via forrageira, com 30% de

recolhimento de palha com 80 Mg ha-1 83

Tabela 27– Dados referentes ao cenário da rota via forrageira, com 50% de recolhimento de

palha com 65 Mg ha-1 83

de recolhimento de palha com 80 Mg ha-1 ₈₄

de recolhimento de palha com 65 Mg ha-1 ₈₅

(11)

(12)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ASTM – American Society for Testing and Materials B - Bagaço

b.s. – base seca b.u. – base úmida

CNPEM - Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais CONAB – Companhia Nacional de Abastecimento

CONTRAN - Conselho Nacional de Trânsito

CTBE- Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol CTC – Centro de Tecnologia Canavieira

CV – Coeficiente de variação

CVC - Combinações de Veículos de Cargas

DENATRAN – Departamento Nacional de Trânsito DP – Desvio padrão

EPE – Empresa de Pesquisa Energética FGV - Fundação Getúlio Vargas

GEF - Fundo Global para o Meio Ambiente IEA – Instituto de Economia Agrícola IGP-M - Índice Geral de Preços – Mercado IM – Impurezas minerais

LB - “Lei da Balança”

MME – Ministério de Minas e Energia

NREL - National Renewable Energy Laboratory P - Palha

PB - Mistura de palha e bagaço PBTC – Peso Bruto Total Combinado

PNUD - Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento Rota 1 – Recolhimento de Palha via Forrageira

Rota 2 – Recolhimento de Palha via Colheita Integral SIN - Sistema Interligado Nacional

SLS - Sistema de Limpeza a Seco Sucre - Sugarcane Renewable Electricity TIR – Taxa Interna de Retorno

(13)

SUMÁRIO

1 Introdução 14

1.1 Objetivos 16

2 Revisão bibliográfica 17

2.1 Cana-de-açúcar 17

2.2 Colheita mecanizada de cana-de-açúcar e recolhimento de palha 19

2.3 Custos de recolhimento de palha 23

2.4 “Lei da Balança” 25

2.5 Cogeração de energia elétrica 26

2.6 A palha nas caldeiras 27

3 Material e métodos 30

3.1 Coleta da biomassa 30

3.2 Qualidade da biomassa 33

3.2.1 Determinação do teor de umidade 33

3.2.2 Determinação da impureza mineral 33

3.2.3 Determinação da granulometria 36

3.3 Viabilidade econômica 38

3.3.1 Determinação do custo de recolhimento 38

3.3.2 Parâmetros técnicos 39

3.3.3 Cenários tecnológicos 41

3.3.4 Determinação de custo industrial 43

3.3.5 Análise de sensibilidade 45 4 Resultados e discussão 46 4.1 Qualidade da Biomassa 46 4.1.1 Teor de umidade 46 4.1.2 Impurezas Minerais 49 4.1.3 Granulometria 51 4.2 Viabilidade econômica 57 4.2.1 Parâmetros técnicos 57 4.2.2 Custo de recolhimento 59 4.2.3 Custo Industrial 64 4.2.4 Análise de sensibilidade 66 5 Conclusão 73 Referências bibliográficas 75

Apêndice 1 – Resultados dos cenários sem “Lei da Balança” 81 Apêndice 2 – Resultados dos cenários com “Lei da Balança” 85

(14)

1 INTRODUÇÃO

As usinas de cana-de-açúcar vêm aumentando a produção de energia elétrica nos últimos anos, tanto para suprir a energia consumida no processo de produção de etanol e açúcar como para venda de energia excedente para o Sistema Interligado Nacional (SIN) (EPE, 2017). Em 2016, o setor sucroenergético injetou no SIN o montante de 2,8 GW médios, apresentando aumento de 11,6% ao total injetado em 2015 (EPE, 2017).

O aumento da utilização da biomassa de cana-de-açúcar para produção de energia elétrica pode ser relacionado ao processo de transição da colheita manual para colheita mecanizada devido à proibição da queima dos canaviais (Lei 11.241/2002). Pois, a colheita mecânica com a cana crua, deixa sobre o solo uma camada considerável de palha, que segundo Hassuani et al. (2005), para cada tonelada de colmo tem-se 140 kg de palha (base seca).

A palha deixada no campo após a colheita possui grande potencial energético a ser aproveitado. De acordo com Ripoli e Ripoli (2001), o material remanescente sobre a superfície do talhão após a colheita fornece, aproximadamente, 13.551 MJ Mg-1_{. Dessa forma, a palha} recolhida, representa uma fonte significativa para geração de eletricidade nas usinas do setor sucroenergético.

A utilização da palha para queima nas usinas implica investimentos em rotas de recolhimento, assim como alguns equipamentos para o seu processamento na indústria. A escolha da rota está diretamente relacionada ao custo que representa recolher a palha e a qualidade com que é entregue na usina. Com isso, o Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), que integra o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), vem desenvolvendo o Projeto Sucre (Sugarcane Renewable Electricity), que tem como objetivo identificar e superar as principais barreiras que impedem a expansão da utilização da palha de cana-de-açúcar como fonte para geração de energia elétrica. O Sucre é uma inciativa financiada pelo Fundo Global para o Meio Ambiente (GEF) e gerida pelo Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD).

Este trabalho, que é parte do projeto Sucre, visa avaliar duas rotas de recolhimento que não necessitam de um triturador de palha na usina para fragmentar a palha a ser incorporada ao bagaço para queima. A exclusão do triturador na indústria resulta na redução significativa dos custos com manutenção e operação do triturador. Dessa forma, o custo de recolher a palha é importante para auxiliar as usinas na tomada de decisão de qual rota é ideal para cada situação. Além do custo, entender a qualidade da palha entregue para a queima é de fundamental importância no sentido de minimizar danos, bem como redução dos custos de manutenção dos

(15)

1._{Carroceria com dispositivo hidráulico, rebocada por trator ou caminhão, utilizada no transporte de} cana.

equipamentos na indústria.

Neste trabalho são abordadas duas rotas de recolhimento utilizadas nas usinas parceiras do projeto Sucre. O recolhimento de palha a granel via forrageira é denominada como rota 1. Nessa rota, após a colheita convencional da cana-de-açúcar, a palha é deixada no campo por aproximadamente 10 dias, em seguida é aleirada e recolhida pela colhedora de forragens. A forrageira recolhe, tritura e transfere a palha para os transbordos1_{no campo. Na usina, a palha} é disposta próxima a pilha de bagaço para realizar a mistura (palha e bagaço) para subsequente queima direta nas caldeiras.

A rota 2 é o recolhimento da palha por meio da colheita integral. Nessa rota, a velocidade dos extratores da colhedora é reduzida para aumentar o teor de impurezas vegetais junto aos colmos. Dessa forma, a palha e os colmos são transportados até a usina. Na usina, a palha é separada dos colmos pelo Sistema de Limpeza a Seco (SLS) e enviada, via úmida, para o último terno da moenda, em que é triturada e incorporada ao bagaço para queima.

A Resolução Nº 211, de 2006, do Conselho Nacional de Trânsito (CONTRAN), conhecida como “Lei da Balança” (LB), regulamenta o transporte rodoviário, quanto às dimensões e capacidades máximas de carga. Essa lei limita a carga de transporte para as Combinações de Veículos de Cargas (CVC), de acordo com o número de eixos e estrutura dos caminhões. Deste modo, é necessário avaliar como a restrição de carga interfere no custo de recolher a palha.

Portanto, este trabalho busca entender como é o custo de recolher a palha para as duas rotas de recolhimento, obedecendo ou não a restrição de carga. Assim como, caracterizar a palha proveniente das duas rotas para queima na caldeira.

(16)

1.1 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é avaliar técnica e economicamente duas rotas de recolhimento de palha de cana-de-açúcar do campo até a usina.

Para isso, os objetivos específicos são:

• Caracterizar a qualidade da biomassa para produção de energia elétrica; • Identificar o custo de recolhimento de palha do campo até a caldeira;

• Avaliar os impactos da “Lei da Balança” no custo de recolhimento de palha; • Avaliar a influência da distância entre talhão e usina no custo de recolhimento de palha;

• Avaliar a influência da porcentagem de área recolhida no custo de recolhimento de palha.

(17)

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Cana-de-açúcar

A cana-de-açúcar é apontada como umas das principais fontes do setor de biocombustíveis em razão do grande potencial de produção de etanol de 1ª e 2ª geração, e dos outros produtos provenientes dos seus resíduos (CONAB, 2017). As unidades sucroenergéticas estão cada vez mais produzindo energia elétrica excedente com a utilização do bagaço e palha, o que resulta no aproveitamento quase integral da cana-de-açúcar.

O conhecimento dos componentes da cana-de-açúcar auxilia no entendimento do potencial energético a ser aproveitado nas unidades sucroenergéticas. Dessa forma, a cana-de-açúcar é dividida em pontas ou ponteiros, folhas verdes, folhas secas, colmos e raízes no subsolo (Figura 1). Os ponteiros são formados por folhas verdes presentes no topo da planta e nos últimos nós na parte superior, já as folhas secas são as folhas envelhecidas com coloração amareladas e castanhas aderidas aos colmos ou presentes no solo (MENANDRO et al., 2017). Os colmos referem-se ao caule da planta sendo o local onde ocorre o maior armazenamento de açúcar.

Figura 1 – Componentes da cana-de-açúcar Fonte: Adaptado de Hassuani et al., (2005)

(18)

A caracterização da cana-de-açúcar é importante para avaliar o potencial energético de cada componente (HASSUANI et al., 2005). Pois, cada parte da planta apresenta características diferentes para teor de umidade, cinzas, carbono fixo e materiais voláteis (HASSUANI et al., 2005). Dessa forma, Hassuani et al. (2005), encontraram diferenças consideráveis para o teor de umidade entre os componentes da cana-de-açúcar (Tabela 1). Neste mesmo estudo, foi possível perceber que a palha, nas diferentes formas, não apresentou grandes variações para carbono fixo e material volátil quando comparada ao bagaço. Já o teor de umidade e cinzas totais apresentaram variações, sendo o teor de cinzas inferior para o bagaço.

Tabela 1 – Análise imediata dos componentes da cana-de-açúcar

Folhas secas Folhas verdes Ponteiros Bagaço

Teor de umidade (%) 13,5 67,7 82,3 50,2

Cinzas totais (%) 3,9 3,7 4,3 2,2

Carbono fixo (%) 11,6 15,7 16,4 18,0

Material volátil (%) 84,5 80,6 79,3 79,9

Fonte: Adaptado de Hassuani et al., (2005)

Os estudos realizados com a palha de cana-de-açúcar comprovam a existência de variações em sua composição (Tabela 2), por exemplo, o teor de material volátil apresentou variação de 74% a aproximadamente 87% nos trabalhos apresentados na tabela a seguir. O mesmo comportamento pode ser observado para os outros parâmetros; no entanto a umidade apresentou menor variação (Tabela 2).

Tabela 2 – Análise imediata da palha de cana-de-açúcar PELÁEZ SAMANIEGO (2007) PAULA, (2010) MESA-PÉREZ et al., (2013) BIZZO et al., (2014) RUEDA-ORDÓÑEZ e TANNOUS, (2015)

Teor de umidade (%) 9,92 n.a.a 10,4 n.a. 8,42

Cinzas totais (%) 11,70 4,32 16,4 7,5 3,85

Carbono fixo (%) 6,90 17,46 13,0 10,1 9,51

Material volátil (%) 81,55 78,64 74,0 82,25 86,64

(19)

Nos processos de combustão incompleta, as cinzas são formadas por materiais inorgânicos que fazem parte do combustível. Os compostos inorgânicos encontrados nas cinzas provenientes da queima da palha e do bagaço dependem das espécies de planta, do solo, do tipo de adubação e também dos materiais minerais aderidos durante a colheita e recolhimento de palha (LENÇO, 2010). Por isso, os resultados das análises imediatas da Tabela 2 apresentam diferenças em cada trabalho realizado.

A análise dos elementos presentes nos combustíveis é melhor compreendida com a realização da análise elementar. Assim, Hassuani et al. (2005), caracterizaram os elementos presentes na palha e no bagaço (Tabela 3). Os teores de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e enxofre mostraram que as composições das diferentes partes da planta de cana-de-açúcar são similares, exceto pelo cloro que apresentou maior quantidade para folha seca, verde e ponteiros.

Tabela 3 – Análise elementar dos componentes da cana-de-açúcar

Folhas secas Folhas verdes Ponteiros Bagaço

Carbono (%) 46,2 45,7 43,9 44,6 Hidrogênio (%) 6,2 6,2 6,1 5,8 Nitrogênio (%) 0,5 1,0 0,8 0,6 Oxigênio (%) 43,0 42,8 44,0 44,5 Enxofre (%) 0,1 0,1 0,1 0,1 Cloro (%) 0,1 0,4 0,7 0,02

Fonte: Adaptado de Hassuani et al., (2005)

2.2 Colheita mecanizada de cana-de-açúcar e recolhimento de palha

A colheita manual de cana-de-açúcar foi gradualmente substituída pela colheita mecanizada em razão das preocupações com emissão de gases poluentes provenientes da queima do canavial. Assim, foi estabelecida a Lei 11.241, em setembro de 2002, no estado de São Paulo. Essa lei orienta sobre a eliminação gradual das queimadas nos canaviais mecanizáveis, até 2021, e em áreas não mecanizáveis (declividade acima de 12%) até 2031. No entanto, o Protocolo Agroambiental do setor sucroenergético no estado de São Paulo, reduziu os prazos para 2014 para áreas mecanizáveis e 2017 para não mecanizáveis.

(20)

Em levantamento realizado pelo Instituto de Economia Agrícola (IEA), em novembro de 2016, a safra 2016/2017 apresentou índice de mecanização de 90%, em uma área de corte de 5,6 milhões de hectares, no estado de São Paulo (IEA, 2017). Os municípios de Andradina, Fernandópolis, Jales, Presidente Venceslau e Votuporanga estão próximos a atingir a totalidade da mecanização com porcentagens acima de 98% (Figura 2).

Figura 2 – Colheita mecanizada de cana-de-açúcar para alguns municípios do estado de São Paulo na safra 2016/2017

Fonte: IEA, 2017

A colheita mecanizada de cana-de-açúcar é composta por seis principais operações: corte basal dos colmos, corte dos ponteiros, levantamento das linhas caídas, retirada das folhas, picagem dos colmos e colheita realizada em paralelo (BRAUNBECK e MAGALHÃES, 2010). No interior na máquina os colmos são cortados e separados da palha, pelos extratores da máquina (Figura 3). 99,5% 95,5% 92,1% 94,2% 91,3% 93,2%98,7%92,3% 92,3%99,0% 97,9%92,7% 93,0%98,6% 98,0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

(21)

Figura 3 – Diagrama da colhedora de cana-de-açúcar Fonte: Braunbeck et al., (2008)

O sistema de colheita mecanizada com cana crua deixa no solo as folhas verdes, secas e ponteiros (LEAL et al., 2013). A quantidade de palha deixada sobre o solo depende de fatores como: variedade e estágio vegetativo da cana-de-açúcar, condições edafoclimáticas e práticas de manejo (HAMES et al., 2003; SANTOS et al., 2012).

Segundo Bizzo et al. (2014), a palha apresenta poder calorífico de 17,1 MJ kg-1 , e representa uma fonte significativa para a geração de eletricidade pelas usinas do setor sucroenergético. A utilização da palha, para queima, é viabilizada a partir do seu recolhimento e transporte do campo até a usina. No entanto, essas operações apresentam custos para usina, e por isso a rota de recolhimento deve ser escolhida analisando para qual finalidade a palha será utilizada.

Atualmente, as rotas de recolhimento utilizadas pelo setor sucroenergético são: colheita integral ou parcial, enfardamento e recolhimento via granel por forrageira. No recolhimento por enfardamento e forrageira, a palha é lançada no solo durante a colheita e posteriormente aleirada por meio da operação de aleiramento.

O aleiramento é realizado com intervalo de 10 a 15 dias após a colheita mecanizada, com isso a palha perde teor de umidade devido a exposição ao sol (MICHELAZZO e BRAUNBECK, 2008). A etapa de aleiramento refere-se à aglomeração da palha em leiras para facilitar a operação das rotas de recolhimento (Figura 4). O aleiramento pode influenciar negativamente na qualidade da palha, em razão da incorporação de impurezas minerais, pois a

(22)

palha é rastelada sobre o solo, pelo ancinho do aleirador (BRAUNBECK e ALBRECHT NETO, 2008)

Figura 4 – (a) Operação de aleiramento da palha de cana-de-açúcar e (b) leira de palha de cana-de-açúcar

O recolhimento da palha aleirada pode ser realizado pela enfardadora ou pela recolhedora de forragens. O enfardamento é iniciado após a palha apresentar umidade adequada para a operação, pois a palha com teor elevado de umidade aumenta os custos de operação de recolhimento, transporte e de processamento na usina para a queima. A palha recolhida é compactada e amarrada para a formação dos fardos, após essa etapa, os fardos são depositados no campo durante a operação (Figura 5). Posteriormente, os fardos são transferidos para um pátio no campo, onde são empilhados para serem carregados e transportados para a usina.

Figura 5 – Enfardamento de palha de cana-de-açúcar

(23)

A forrageira passa pelas leiras recolhendo a palha, que é triturada e lançada no transbordo. Os caminhões transportam a palha até a usina, descarregando próximo ao monte de bagaço para mistura, e posteriormente a queima nas caldeiras (Figura 6).

Figura 6 – Recolhimento de palha de cana-de-açúcar via forrageira

Na colheita integral, os colmos e a palha são lançados pela colhedora aos veículos de transporte, sem contato com o solo, por meio da redução da rotação ou desligamento dos extratores, e em seguida devem ser separados na usina, utilizando o SLS (BRAUNBECK E ALBRECHT NETO, 2008). A separação dos colmos e das impurezas minerais e vegetais é uma etapa importante para o processo de produção de álcool e açúcar, que visa reduzir os impactos negativos que a palha provoca no processamento da cana. Assim, o SLS utiliza a ação do ar, por meio de ventilação, e a ação mecânica, para eliminar as impurezas vegetais e minerais, respectivamente (ROMÃO JÚNIOR, 2009).

2.3 Custos de recolhimento de palha

Os trabalhos de recolhimento de palha realizados anteriormente, em sua maioria, abordaram a colheita integral e o enfardamento. Contudo, neste trabalho foram estudadas as rotas de recolhimento via forrageira e via colheita integral. Assim, a seguir serão discutidos alguns trabalhos que apresentaram o custo de recolhimento da palha para essas duas rotas.

Franco (2003), avaliou o desempenho do recolhimento por forrageira de 353 kW de potência, que obteve teor médio de impureza mineral de 7,47% e custo total da palha (em R$ de 2003), do campo até a usina, de R$ 21,03 Mg-1, concluindo que o sistema de recolhimento

(24)

a granel, sob o ponto de vista operacional, pode ser viável para o recolhimento de palha de cana-de-açúcar.

Ripoli (2004), avaliou o recolhimento de palha via colheita integral e enfardamento, obtendo os melhores resultados para a colheita integral, sendo o custo de recolhimento da palha do campo até a usina de R$ 5,42 Mg-1 (em reais de 2004)e índice de impureza minerais de 1,39%. O mesmo foi evidenciado por Michelazzo (2005), que comparou seis rotas de recolhimento de palha, tendo entre essas rotas o recolhimento via colheita integral e forrageira. Nesse estudo, a colheita integral apresentou menor custo de recolhimento de palha, já a forrageira obteve o maior custo entre os seis sistemas estudados, sendo o custo da rota com palha picada a granel o mais influenciado pelo aumento da distância de transporte.

Michelazzo e Braunbeck (2008), compararam a colheita e o transporte de palha até a usina por meio de seis sistemas diferentes (fardo grande, picagem a granel, briquetagem, peletização, fardo algodoeiro e colheita integral). Os resultados encontrados foram baseados em modelos de simulação de rendimentos e custos globais. Os autores também encontraram o menor custo total para o sistema de colheita integral, além disso, relataram que os fatores que influenciam o custo de recolhimento do palhiço são, em ordem crescente, o consumo de combustível, aquisição dos equipamentos, eficiência global da operação e jornada de trabalho. Perea (2009), estudou sistemas de recolhimento de palha na região central do estado de São Paulo. O estudo avaliou o desempenho de recolhimento via forrageira com e sem aleiramento, recolhimento por enfardadora de fardos cilíndricos e colheita integral. Além de avaliar o custo de cada rota, realizou também a determinação da impureza mineral e da umidade da palha. Assim, concluiu que o recolhimento via colheita parcialmente integral apresentou menor teor de impurezas minerais, maior umidade e menor custo por tonelada de palha do campo até a usina.

Cardoso et al. (2013), avaliaram a recuperação de palha por hectare em diferentes porcentagens (30%, 50% e 70%) em dois sistemas de recolhimento: colheita integral e recolhimento por meio de enfardadora. De acordo com os resultados, a colheita integral apresentou menor custo no raio médio de 30 km e produtividade de 83 Mg ha-1, quando comparada com o sistema de fardos, na fase agrícola.

Em outro momento, Cardoso et al. (2015), estudaram o recolhimento de palha via colheita integral e enfardamento, considerando o modelo verticalizado de produção. Nesse estudo, a colheita integral apresentou, novamente, os menores custo de recuperação de palha e a TIR (Taxa de Interna de Retorno) ideal. Contudo, dependendo da produtividade da

(25)

cana-de-açúcar e a fração de recuperação de palha, o sistema de enfardamento pode apresentar melhores resultados de TIR que a colheita integral, devido aos efeitos da palha na fase industrial.

2.4 “Lei da Balança”

O transporte dos colmos e palha, do campo até o ponto de processamento, é realizado por caminhões e carretas e, segundo Silva (2006), os principais caminhões utilizados para carregar a cana-de-açúcar colhida são: caminhão com um reboque, caminhão com dois reboques e o cavalo-mecânico com dois semi-reboques (Tabela 4).

Tabela 4 - Combinações usuais no transporte de cana-de-açúcar

Descrição Esquema Nome usual

Caminhão plataforma Truck

Caminhão plataforma com

um reboque acoplado Romeu e Julieta

Caminhão plataforma com

dois reboques acoplados Treminhão

Cavalo mecânico com dois

semi-reboques acoplados Rodotrem

Fonte: Adptado de Silva, (2006)

Esses veículos utilizam vias públicas pavimentadas, quer sejam federais, estaduais ou municipais. Em vista disso, devem obedecer às leis em vigência do CONTRAN. O Decreto Federal Nº 50.903 de 1961 foi a primeira norma que abordou os limites de cargas por eixo, surgindo assim a expressão “Lei da Balança”.

No âmbito das CVC, o rodotrem é a composição mais utilizada pelos grupos canavieiros e em segundo lugar aparece o tradicional treminhão. Segundo a “Lei da Balança”, por meio da Portaria 63/2009 do Departamento Nacional de Trânsito - DENATRAN, os pesos por eixo (legais) para o rodotrem são, respectivamente, da frente para trás, 6 Mg, 17 Mg, 17 Mg, 17 Mg e 17 Mg, totalizando 74 Mg de Peso Bruto Total Combinado (PBTC), que é referente à soma do peso da carga e do veículo.

(26)

Para o treminhão de 9 eixos (caminhão trucado com dois reboques) a distribuição das cargas máximas sobre os eixos, da cabine para trás, são, respectivamente, 6 e 17 Mg (conjunto de eixos em tandem duplo), 25,5 e 25,5 Mg (para os dois eixos triplos), apresentando um total de 74 Mg de PBTC.

No que tange os pesos brutos e por eixos, a Resolução Nº 489 de 2014 do CONTRAN relata sobre as tolerâncias admitidas nas fiscalizações dos veículos nas balanças rodoviárias, em que a tolerância de 5% é aplicada sobre o PBTC. Dessa forma, para o rodotrem que o PBTC é de 74 Mg, com tolerância, pode chegar até 77,7 Mg, desse peso, cerca de 34 Mg é o peso do rodotrem vazio, o que resulta em 43 Mg para transporte de carga, representando uma redução de 17 Mg em média, uma vez que os caminhões de cana transportavam cerca de 60 Mg de carga.

2.5 Cogeração de energia elétrica

Em 2015, a produção de energia advinda de fontes renováveis atingiu o índice de 41,2% da matriz energética brasileira e manteve-se entre as mais elevadas do mundo (MME/EPE, 2016). Dentre estes 41,2%, tem-se que 16,9% é de biomassa de cana, 11,3% é referente à fonte hidráulica, 8,2% é de lenha e carvão vegetal, e 4,7% corresponde a outras fontes renováveis (MME/EPE, 2016).

O potencial de geração de energia elétrica a partir da biomassa, produzida pelo processo produtivo de cana-de-açúcar, é determinado por alguns fatores: (i) alternativa tecnológica adotada para o ciclo termoelétrico de cogeração (ROMÃO JÚNIOR, 2009); (ii) quantidade de cana-de-açúcar processada; (iii) método de colheita adotado; e (iv) técnicas para redução dos consumos específicos de energia mecânica, térmica e elétrica no processo produtivo de açúcar e álcool (CORRÊA NETO e RAMON, 2002).

A partir do cumprimento do Protocolo Agroambiental do estado de São Paulo, nos últimos 8 anos, as usinas evoluíram, em termos de potência instalada, de 1.865,04 MW para 5.125,51 MW, apresentando aumento de 2,75 vezes (IEA, 2017). Esse aumento permite entender que as usinas sucroenergéticas podem contribuir de forma significativa com fornecimento de bioeletricidade, maximizando os níveis de participação da matriz energética renovável brasileira.

No intervalo entre as safras de 2007/08 a 2015/16, as usinas que adotaram o Protocolo Agroambiental, apresentaram aumento de 3,02 vezes na produção de energia (MWh), e aumento de 4,27 vezes na exportação de energia para o SIN (IEA, 2017).

(27)

2_{Subdivisão geográfica dos estados brasileiros de acordo com as similaridades econômicas e sociais.}

As regiões administrativas2 (RA), no estado de São Paulo, que mais produziram energia através da biomassa de cana-de-açúcar estão localizadas nos municípios de São José do Rio Preto com 23 usinas, seguida das regiões de Ribeirão Preto (14 usinas), Campinas (20 usinas), Bauru (12 usinas) e Araçatuba (15 usinas), as quais representaram 64,37% do total de energia produzida pelas usinas signatárias no estado, na safra 2015/16 (IEA, 2017) (Figura 7).

Figura 7 - Produção de Energia das Unidades Industriais de Cana-de-açúcar Signatárias do Protocolo Agroambiental, por RA, estado de São Paulo, Safra 2015/16

Fonte: Adaptado de IEA, (2017)

A utilização da palha para queima junto ao bagaço apresenta grande potencial energético que, se aproveitado, pode tornar a produção de bioeletricidade mais atrativa no setor elétrico. Dessa forma, pode influenciar na melhoria dos preços de energia elétrica nos leilões, tornando mais atrativa a produção de energia elétrica em usinas de cana-de-açúcar.

2.6 A palha nas caldeiras

A palha apresenta teor de cinzas superior ao do bagaço, conforme encontrado por Hassuani et al., (2005) (Tabela 1). 17,30% 13,20% 12,70% 11,30% 9,80% 9,70% 7,00% 6,80% 6,50% 3,20% 2,50%

São José do Rio Preto Ribeirão Preto Campinas Bauru Araçatuba Barretos Marília Franca Presidente Prudente Central Sorocaba

(28)

As cinzas são constituídas, em sua maioria, por metais alcalinos e sílica (Tabela 5). Esses elementos presentes na palha podem causar efeitos adversos nas caldeiras, por exemplo, aumento de incrustação e corrosão. Dessa forma, há uma preocupação em relação à utilização da palha para queima junto ao bagaço, uma vez que as caldeiras, em sua grande maioria, foram projetadas para queima somente do bagaço.

Tabela 5 - Composição elementar de bagaço e palha (folhas verdes, folhas secas e ponteiro)

Determinação* Folhas secas Folhas verdes Ponteiros Bagaço

Umidade (g/kg) * P2O5 0,5 2,0 2,5 0,5 K2O 2,7 13,3 29,5 1,7 CaO 4,7 3,9 2,6 0,7 MgO 2,1 2,2 2,5 0,5 Fe2O3 0,9 0,5 0,2 2,3 Al2O3 3,5 1,4 0,5 2,3 Umidade (g/kg) * CuO <0,06 <0,06 <0,06 - ZnO 9 15 35 - MnO 169 120 155 62 Na2O 123 128 119 45

Fonte: Adaptado de Hassuani et al., (2005) *base seca

Trabalhos foram realizados para compreender melhor os mecanismos envolvidos na formação, deposição e incrustação em caldeiras. Como Skrifvas et al. (2004), que estudaram o comportamento das cinzas em uma caldeira de madeira e observaram que a as partículas de silicato podem ficar inertes na caldeira, durante a combustão, agindo como agentes de corrosão ao passar pelos tubos de troca de calor.

Theis et al. (2006), analisaram a tendência de incrustação de cinzas resultante da queima em caldeiras. Os autores concluíram que o maior teor de cinzas foi encontrado ao utilizar a palha de turfa (peat), além disso entenderam que a interação entre cloro e enxofre provocam a deposição durante a combustão.

(29)

Gogebakan et al. (2009), investigou a deposição de cinzas em caldeira de biomassa, em que o sulfato de cálcio é o principal componente do processo de deposição. Esse resultado está em acordo com Jacome (2014), que concluiu que grandes quantidades de metais álcalis e alcalinos (Na, K, Ca), em presença de cloro e enxofre nas cinzas da palha de cana-de-açúcar incrementam sua reatividade e facilitam a aparição dos processos termoquímicos como: aglomeração, deposição e corrosão.

Bizzo et al. (2014), encontraram elevado nível de álcalis presente na palha de cana-de-açúcar, o que provoca alta fusibilidade das cinzas em relação ao bagaço. Oliveira (2008), destacou que os sais presentes na palha quando alimentados na fornalha da caldeira, abaixam o ponto de fusão das cinzas, facilitando sua vaporização e favorecendo a formação de incrustação nos permutadores de calor. O bagaço não apresenta o mesmo comportamento da palha, por apresentar menor teor de cloro, que segundo Baxter et al. (1998), deve-se ao seu processamento na parte industrial da usina, pois o cloro e o potássio são lixiviados no processo de extração do açúcar dos colmos.

Dessa forma, a utilização da palha para queima dever ser analisada com critério para não prejudicar o funcionamento das caldeiras. Os projetos de caldeiras para bagaço podem ser adaptados para a queima da palha ou podem ser analisados a quais processos a palha deve passar antes de ser misturada ao bagaço, por exemplo, processo de lavagem e fragmentação.

(30)

3 MATERIAL E MÉTODOS

Os procedimentos metodológicos para atingir os objetivos deste trabalho foram divididos em duas etapas. A primeira etapa consistiu em analisar as amostras de biomassa, provenientes de cada rota de recolhimento, em função dos parâmetros de umidade, teor de impurezas minerais e granulometria, com a finalidade de caracterizá-las para a queima nas caldeiras. A segunda etapa, refere-se à caracterização dos parâmetros operacionais das rotas de recolhimento para calcular o custo de recolhimento de palha, avaliando como esse custo se comporta com a variação da distância de transporte e da porcentagem de área recolhida. 3.1 Coleta da biomassa

As amostras utilizadas para analisar a qualidade da biomassa foram de bagaço (B), palha (P) e mistura de palha e bagaço (PB). As amostras foram coletadas em três horários diferentes (8h, 12h e 16h), para caracterizar a biomassa de forma representativa. A composição das amostras de cada horário foi realizada por meio da coleta de cinco subamostras.

• Rota 1

Na rota 1, a amostragem foi realizada em três pontos diferentes. As amostras de bagaço foram retiradas no último terno da moenda (Figura 8). Já as amostras de palha e de mistura de palha e bagaço foram retiradas, respectivamente, no monte de palha após o descarregamento da palha no pátio da usina (Figura 9), e no monte de palha e bagaço misturados no pátio da usina (Figura 10).

Figura 8- Ponto de coleta das amostras de bagaço no último terno da moenda na usina Ponto de

(31)

Figura 9 - Ponto de coleta de amostra de palha após o descarregamento no pátio da usina próximo ao monte de bagaço

Figura 10- Ponto de coleta das amostras de mistura de palha e bagaço no pátio da usina após a mistura da palha e bagaço

• Rota 2

Os pontos de amostragem das duas rotas estudadas foram diferentes devido as particularidades de cada rota. Dessa forma, na rota 2 a palha é separada dos colmos por meio do SLS. A palha soprada cai sobre um transportador de correias que a leva para uma canaleta com transporte via úmida. Após o percurso via úmida, a palha é transferida para uma esteira de correias que a destina para uma rosca helicoidal, para alimentação no último terno da moenda. O ponto de coleta das amostras de palha antes de ser triturada foi na esteira de correias (Figura 11).

Ponto de coleta

(32)

3_{Equipamento utilizado para regularizar e uniformizar a moagem.}

Figura 11 - Ponto de coleta das amostras de palha lavada na esteira de correia na usina

As amostras de bagaço e da mistura (palha e bagaço) foram retiradas no transporte no Chute Donnelly3 no último terno da moenda (Figura 12). As amostras de mistura foram retiradas quando o sistema de mistura da palha estava operando. A coleta do bagaço foi realizada na interrupção do sistema de alimentação com palha.

Figura 12 – Ponto de coleta de amostra de bagaço e de mistura durante o transporte no Chute Donelly da moenda dentro da usina

Ponto de coleta

Ponto de coleta

(33)

3.2 Qualidade da biomassa

A caracterização da qualidade da biomassa foi realizada para analisar como as rotas de recolhimento, estudadas neste trabalho estão entregando a palha para queima na caldeira junto ao bagaço. Para isso foram escolhidos os parâmetros importantes que interferem na eficiência da queima em caldeiras de bagaço.

3.2.1 Determinação do teor de umidade

As amostras coletadas nos ensaios foram acondicionadas hermeticamente em sacos plásticos, identificadas e transportadas para o laboratório. No laboratório, as amostras foram transferidas para sacos de papel, identificadas e pesadas, descontando o peso do saco. Em seguida, os sacos foram colocados na estufa, por 48 horas, à temperatura de 65 ºC (ASTM E1756). Após essa etapa, o material foi pesado novamente, a fim de obter a massa seca da amostra para o cálculo do teor de umidade pela diferença de massa.

3.2.2 Determinação da impureza mineral

Para a determinação do teor de impureza mineral (IM) é necessário obter teor de cinzas totais e cinzas constitutivas. Dessa forma, essa análise foi dividida em duas partes, após a realização da etapa descrita do item 3.2.1 (teor de umidade). Para esses procedimentos, as cinco subamostras (amostras secas) foram homogeneizadas para representar a amostra de cada horário (Figura 13).

Figura 13 - Composição e homogeneização das cinco subamostras (b.s.) para obter uma amostra de cada tipo (bagaço, palha e mistura)

(34)

• Cinzas totais

As amostras já secas a 65ºC, de cada horário, foram separadas em aproximadamente 100 g. Após a separação, foram moídas em moinho tipo cruzeta de impacto (martelo) e passadas em peneira de 0,5 mm de abertura (NREL/TP-510-42622) (Figura 14). Seguida a moagem, foi determinado o teor de umidade das amostras com a utilização de uma balança provida de dispositivo de secagem (±105 ºC) (Figura 15).

Figura 14 - Moagem das amostras de bagaço, palha e mistura para queima no forno mufla

Figura 15 - Determinação do teor de umidade das amostras após o processo de moagem Em seguida, as amostras foram pesadas, em balança analítica de precisão, com peso de aproximadamente 2 g (NREL/TP-510-42622). A pesagem das amostras foi realizada em triplicata (Figura 16).

(35)

Figura 16 - Pesagem das amostras em cadinhos em balança de precisão para a queima em forno mufla

A queima das amostras no forno mufla foi realizada com os cadinhos tampados parcialmente, com programação de temperatura de 12 min a 105 ºC, 30 min a 250 ºC e 180 min a 575 ºC (NREL/TP-510-42622) (Figura 17). Após o resfriamento, o material foi retirado do forno mufla e pesado novamente.

Figura 17 - Cadinhos acomodados no interior do forno mufla para queima

• Cinzas constitutivas

A análise de cinzas constitutivas foi realizada após a lavagem das amostras para retirada de todo material mineral aderido à biomassa. As amostras provenientes da secagem foram separadas em aproximadamente 25 g, em triplicata (NREL/TP-510-42622). Em seguida,

(36)

foram lavadas em um desfibrador, com 1,5 L de água a 2000 rpm, por 3 minutos de operação (Figura 18).

Figura 18 - Lavagem das amostras no desfibrador

O material lavado foi passado através de um par de peneiras com aberturas de 2 mm e 850 µm para drenar a água de lavagem (Figura 19). As etapas de lavagem e peneiramento foram repetidas, três vezes, em cada amostra, para garantir maior eficiência na limpeza da biomassa. Ao final dos estágios de lavagem, as amostras foram secas em estufa, de acordo com o procedimento descrito em determinação do teor de umidade, pesadas, moídas, queimadas e pesadas novamente, segundo o método detalhado em cinzas totais.

Figura 19 – Peneiramento da amostra após a lavagem

3.2.3 Determinação da granulometria

A determinação da granulometria foi realizada nas amostras após a secagem em estufas. Cada amostra foi homogeneizada, separada e pesada (±100 g) para ser passada em séries de peneiras com aberturas determinadas de acordo com o tipo de amostra (Tabela 6).

(37)

Tabela 6 - Sequência das aberturas das peneiras utilizadas para os três tipos de amostras Abertura das peneiras (mm)

Bagaço Palha Mistura de Palha e Bagaço 12,50 90,00 63,00 9,50 63,00 50,00 6,70 50,00 31,50 4,75 31,50 19,00 4,00 19,00 12,50 3,35 12,50 9,00 2,36 9,00 6,70 1,70 6,70 4,75 0,85 4,75 4,00 0,50 4,00 3,35 0,25 3,35 2,36 0,15 2,36 1,70 1,70 0,85 0,85 0,50 0,50 0,25 0,25 0,15 0,15

As peneiras foram pesadas antes e após o peneiramento para o registro do peso retido em cada abertura. As peneiras utilizadas, de aberturas de 90 mm a 0,15 mm, foram colocadas em ordem decrescente de abertura em um agitador de peneiras com 2 mm de amplitude de vibração por 15 min (Analysette 3 PRO, Fritsch, Idar-Oberstein, Germany) (Figura 20).

(38)

3.3 Viabilidade econômica

O custo de recolhimento de palha (R$ Mg-1) foi calculado por meio do software

CanaSoft, que é alimentado com os dados que caracterizam os cenários de estudo e os

parâmetros operacionais das máquinas utilizadas em cada rota de recolhimento.

3.3.1 Determinação do custo de recolhimento

O cálculo do custo de recolhimento de palha foi realizado utilizando o software

CanaSoft desenvolvido pelo CTBE/CNPEM. O CanaSoft é uma ferramenta constituída por

planilhas eletrônicas e integra vários módulos de cálculos (CARDOSO, 2014). Ao inserir os dados que descrevem o sistema de produção, o modelo calcula o custo de produção da cana-de-açúcar e o inventário do seu ciclo de vida (CARDOSO, 2014).

De acordo com Cardoso (2014), o CanaSoft é composto por módulos de cálculos, tais como: descrição do cenário, operações, maquinário e insumos. Os dados de entrada desses módulos são a base para os cálculos que o modelo realiza (Tabela 7). Assim, com a utilização do CanaSoft foi possível calcular o custo de recolhimento de palha de acordo com as definições de cada rota. A Figura 21, demonstra como ocorre a integração dos módulos de cálculos e descrição do cenário para obter o custo de produção.

Tabela 7 - Variáveis de entrada dos módulos de cálculos do CanaSoft

Fonte: Adaptado de Cardoso, (2014)

Descrição do cenário Operações Maquinários Insumos

Moagem da usina Preparo do solo Potência Mudas

Ciclo da cana Plantio Custo Calcário

Produtividade da cana Tratos culturais Peso Gesso

Fator de aglomeração da

cultura Corte Depreciação

Torta de filtro Área e tipo de plantio Carregamento e transporte

Vida útil

Vinhaça

Número de cortes Eficiências operacionais Cinzas

Quantidade de mudas

utilizadas Eficiências gerenciais

Velocidade de

operação Inseticida

Tipo de colheita Eficiência de manutenção Nematicida

Recolhimento de palha Consumo de combustível Largura

operacional Herbicida

Tipo de transporte Utilização efetiva Maturador

Aplicação de resíduos industriais

Capacidade

operacional Fertilizante Propriedade da terra (própria

(39)

Figura 21 - Estrutura do modelo com os diferentes módulos de cálculo Fonte: Adaptado de Cavalett et al., (2016)

Para realizar os cálculos dos cenários, estabelecidos nesse estudo, foi necessário ajustar as planilhas do CanaSoft em função dos dados de entrada definidos em cada cenário tecnológico. Dessa forma, os parâmetros do módulo de cálculo, operações e insumos foram utilizados para todos os cenários, alterando somente a forma de colheita e transporte de colmos e palha, conforme especificado em cada rota.

3.3.2 Parâmetros técnicos • Rota 1

A obtenção dos parâmetros técnicos dessa rota foi realizada para as operações de aleiramento, recolhimento e transporte da palha. No aleiramento, os tempos de trabalho, manutenção, manobras e paradas foram quantificados com a utilização de um cronômetro. Com isso, foi possível calcular a eficiência de manutenção, eficiência gerencial e operacional, como também as horas efetivas de trabalho. Além disso, foi obtido a largura operacional, modelo e potência do trator utilizado para tracionar o ancinho aleirador. Os dados que não foram medidos

(40)

nessa avaliação foram disponibilizados pela usina, como o consumo de combustível e velocidade média de deslocamento do trator.

O recolhimento a granel, via forrageira, foi acompanhado em campo para obter dados de: consumo de combustível, tempo de trabalho e de manutenção da máquina, tempo utilizado para realizar manobras, desembuchamentos e deslocamentos, potência do motor e velocidade média de deslocamento.

Os tempos, definidos anteriormente, foram quantificados da mesma forma realizada para a operação de aleiramento. A velocidade média de deslocamento e o consumo médio de combustível foram obtidos por meio dos dados disponíveis no computador de bordo da forrageira. Para isso, foram registrados durante todo o ensaio, a cada dois segundos, aproximadamente, a velocidade média e o consumo de combustível, disponíveis no visor, para obtenção da média desses parâmetros no dia de avaliação. A quantificação de consumo de combustível foi realizada, dessa forma, devido à ausência do comboio de abastecimento após o término da operação de recolhimento.

O consumo de combustível, velocidade média de deslocamento e peso dos caminhões de transporte de palha foram disponibilizados pela usina, assim como a capacidade volumétrica dos transbordos.

• Rota 2

Para a colheita integral, não foi necessário realizar o acompanhamento em campo, pois foram utilizados os dados médios das usinas parceiras do projeto Sucre (CTBE/CNPEM/PNUD/GEF) (Tabela 8).

Tabela 8 – Parâmetros da colhedora utilizados na colheita integral

Colhedora de esteira A8800 Case IH

Tempo de operação 24 h

Eficiência de manutenção 80%

Eficiência gerencial 70%

Eficiência operacional 80%

Horas efetivas de trabalho 10,8 h

Peso 18.300 kg

Vida útil 12.000 h

Potencia nominal 358 cv

Largura operacional 1,50 m

(41)

4_{Distância média entre os canaviais e a usina, determinado de acordo com Conab, 2017.}

A velocidade média de deslocamento, capacidade de campo efetiva e consumo de combustível são parâmetros calculados pelo CanaSoft de acordo com a produtividade e com a porcentagem de palha recolhida.

Nessa rota, o transporte da palha é realizado junto com os colmos no rodotrem. O

CanaSoft calcula o número de caminhões necessários para fazer o transporte da carga de acordo

com a produtividade, porcentagem de palha recolhida, distância de transporte, definidos em cada cenário, e com os dados do rodotrem (Tabela 9).

Tabela 9 – Parâmetros utilizados para o rodotrem

Modelo caminhão Scania G480 CA6X4

Vida útil 500.000 km

Volume útil 184 m3

3.3.3 Cenários tecnológicos

A definição dos cenários de produção de cana-de-açúcar e recolhimento de palha é importante para possibilitar a comparação das duas rotas de recolhimento abordadas nesse trabalho. Dessa forma, os cenários e os dados de entrada utilizados para o cálculo do custo de recolhimento da palha foram definidos de acordo com a realidade das usinas parceiras do projeto Sucre (CTBE/CNPEM/PNUD/GEF).

Os dados de entrada definidos nesse trabalho foram: • Moagem da usina: 3.000.000,00 Mg ano-1_; • Dias efetivos de safra: 200 dias;

• Raio médio4_{de transporte: 30 km;} • Número de cortes: 5 cortes;

• Porcentagem de plantio mecanizado: 100%;

• Quantidade de mudas utilizadas no plantio: 16 Mg ha -1_; • Porcentagem de colheita mecanizada com cana crua: 100%;

• Porcentagem de perda na colheita: 10% (MAGALHÃES et al., 2006); • Teor de impureza vegetal aderida aos colmos: 7,25%;

• Teor de impureza mineral aderida aos colmos: 1,20%; • Porcentagem da área com recolhimento de palha: 100%;

(42)

• Quantidade de palha produzida: 140 kg de palha por tonelada de colmo produzida (HASSUANI et al., 2005).

O custo de recolher a palha pelas duas rotas foi calculado em relação a um cenário base, definido como colheita convencional, sem recolhimento de palha. Pois, o CanaSoft apresenta o custo total de produção, que inclui o custo dos colmos e da palha, quando tem recolhimento. Assim, para obter somente o custo de recolher a palha, foi necessário diminuir o custo das rotas estudadas do custo da colheita convencional sem recolhimento (Figura 22). Após essa etapa o custo de recolhimento de palha foi calculado em base seca, retirando a umidade para cada cenário estabelecido.

Figura 22 – Cálculo do custo de recolhimento de palha para as duas rotas estudadas

Os cenários foram definidos em duas situações distintas, com foco no transporte da carga. A primeira situação foi sem restrição de peso da carga transportada – “Lei da Balança”, já a segunda situação foi obedecendo a “Lei da Balança”. Para cada situação, o custo de recolhimento foi calculado variando a produtividade e porcentagem de palha recolhida (Figura 23).

(43)

Figura 23 - Cenários para o cálculo do custo de recolhimento de palha

3.3.4 Determinação de custo industrial

A rota 2 é uma alternativa em que a palha é levada junto com os colmos, sendo separada por meio do SLS e transportada até o último terno da moenda. Esse processo de separação e transporte da palha apresenta custo de investimento e de operação, que foi considerado como custo industrial, presente somente na rota 2. Portanto, a rota 2 possui, além do custo de recolhimento (custo agrícola), o custo de operar a palha até o ponto de mistura com o bagaço, sendo este o último terno da moenda.

Nesse caso, o custo denominado de industrial é referente à separação e transporte da palha até o último terno da moenda, sendo necessário enfatizar que não foram considerados os impactos da palha na produção industrial de etanol e açúcar.

O SLS é composto, basicamente, por estrutura metálica, ventiladores, câmara de despressurização, câmara de limpeza e moega. Em complemento ao SLS temos as esteiras de transporte, peneira e materiais elétricos para acionar toda essa estrutura. A estimativa do custo de investimento de todos esses equipamentos e custo operacional foi realizada de acordo com Souza (2012), devido à dificuldade em obter dados com as usinas para a realização dos custos Sem Lei da Balança 65 Mg ha-1 Rota 1 e Rota 2 Com Lei da Balança 30% 50% Porcentagem de recolhimento Produtividade Rotas de recolhimento Sem Lei da Balança 80 Mg ha-1 Rota 1 e Rota 2 Com Lei da Balança 30% 50%

(44)

do SLS, no trabalho utilizado com referência a eficiência média de separação considerada foi de 70% para as impurezas leves.

Os custos estimados por de Souza (2012), foram realizados para usinas com processamento de 2.000.000,00 Mg de cana por safra. De acordo com Tsagkari et al. (2016) é possível extrapolar os custos de plantas industriais para outras plantas de maior escala, com base no custo total da planta ou em alguns equipamentos. Dessa forma, para o custo de processar a palha, da entrega no SLS até o último terno da moenda, foi utilizado um fator de incremento em relação aos custos de Souza (2012). O fator de incremento foi encontrado a partir da correlação (Equação 1) proposta por Williams (1947) citado por Tsagkari et al. (2016), que depende do tamanho e escala do processo ou equipamento.

𝐶1 𝐶₂ = ( 𝑆₁ 𝑆₂) 𝑝 × 𝑡 Equação 1 Onde: C1: custo escala 1 C2: custo escala 2 S1: escala 1 S2: escala 2

p: expoente para processo ou equipamento escalado t: fator de correção

O expoente é escolhido de acordo com a tabela de valores utilizadas em biorefinarias. Segundo Tsagkari et al. (2016) para biomassas, grãos para bioetanol, etanol, biomassa para etanol e biodiesel o expoente varia de 0,7 a 0,9. O fator t é utilizado para dimensionar os dados, considerando a data e localização da estimativa, usando índices apropriados e correção por diferenças de temperatura, pressão e materiais de construção segundo Kharbanda e Stallworthy (1988) citado por Tsagkari et al. (2016).

Ao realizar a extrapolação do custo para usina de 3.000.000,00 Mg de cana-de-açúcar por safra, os custos foram corrigidos de julho de 2012 para julho de 2017, aplicando o índice IGP-M (Índice Geral de Preços – Mercado), medido pela FGV (Fundação Getúlio Vargas). Esse índice é mais indicado para esse caso, dado que em seu cálculo é considerado a inflação de preços desde matérias-primas agrícolas e industriais até bens e serviços finais.

(45)

3.3.5 Análise de sensibilidade

A análise de sensibilidade foi realizada utilizando o CanaSoft para entender como o custo de recolhimento de palha é influenciado pela variação do raio médio e da porcentagem de área recolhida. Portanto, a sensibilidade foi feita para todos os cenários apresentados na Figura 23.

O raio médio padrão utilizado para os resultados dos cenários desse trabalho foi de 30 km. Além disso, para análise de sensibilidade foram utilizados os raios de 20 km, 40 km, 50 km e 60 km, buscando identificar a influência da distância de transporte no custo de recolhimento de palha nas duas rotas analisadas.

Os custos para os cenários apresentados na Figura 23 foram calculados para o recolhimento de 100% da área. Diante disso, o custo de recolhimento também foi calculado para 20% e 60% de área recolhida, o que representa, respectivamente, o recolhimento de talhões para reforma e o recolhimento de talhões a partir do terceiro corte.