Biorefinery in Brazil: Sugarcane Agro-Industry (Biorrefinaria no Brasil: Agroindústria Canavieira

André Elia Neto

Environmental and Water Resources Consultant

Biorefinery in Brazil: Sugarcane Agro-Industry

(Biorrefinaria no Brasil: Agroindústria Canavieira

Congresso TeQ 2016

2

Introducion

Conceito de Biorrefinarias no Brasil

 Os conceitos de biorrefinaria e química verde enfocam o aproveitamento de modo que tenha-se cadeias de valor similares àquelas dos derivados do petróleo, porém com menor impacto ao meio ambiente, contemplando sistemas integrados (matérias-primas, processos, produtos e resíduos) sustentáveis, de acordo com parâmetros técnicos que levam em consideração, entre outros aspectos, os balanços de energia e de massa, o ciclo de vida e a redução de gases do efeito estufa. Uma biorrefinaria pode integrar, em um mesmo espaço físico, processos de obtenção de biocombustíveis, produtos químicos, energia elétrica e calor.

 A indústria canavieira está bem alinhada neste conceito, produzindo ainda alimento: o açúcar

Biorefinary Concept in Brazil

 The concepts of biorefinary and green chemistry focus on the use of value-chains in similar ways to that such as the oil, but with less impact on the environment, contemplating integrated sustainable

systems (raw materials, processes, products and residues), according to technical parameters that consider, among other aspects, the energy and bulk balance, the lifecycle and reduction of cases that cause the greenhouse effect. A biorefinery may integrate, in the same physical space, processes for biofuel, chemical products, electrical energy and heat.

 UNICA (Industry Union Sugar Cane) is the largest organization representing the sector of sugar, ethanol

and bioelectricity from Brazil. It was created in 1997 with the merger of several industry organizations (A UNICA União da Indústria de Cana-de-Açúcar é a maior organização representativa do setor de açúcar, bioetanol e bioeletricidade do

Brasil. Foi criada em 1997 com a fusão de diversas organizações setoriais).

 With more than 120 members, it represents more than 50% of the ethanol and 60% of the sugar

produced in Brazil. (Com mais de 120 associadas, que respondem a mais que 50% do etanol e 60% do açúcar produzidos no Brasil)

 It is also responsible for approximately 70% of bioelectricity from sugarcane bagasse marketed in the country (É também responsável por cerca de 70% da bioeletricidade a partir do bagaço produzido no País)

 Expertise covers key areas including the environment, energy, technology, international trade, corporate

social responsibility, sustainability, regulation, economics and communications. (Atuação nas áreas de meio-ambiente, energia, tecnologia, comércio exterior, responsabilidade corporativa, sustentabilidade, legislação,

economia e comunicação)



competitiveness of the sugar-energy sector in Brazil, with a vision based on:

Sua missão é criar as condições para a melhoria do ambiente institucional, de modo a favorecer a competitividade do setor sucroenergético no Brasil, com uma visão baseada em:

• The production of sustainable energy and food for people; A produção de energia e alimentos sustentáveis para as pessoas;

• Contributing to the environmental, social and economic sustainability of the country; Contribuir para a sustentabilidade ambiental, social e econômica do país;

• Promoting energy and food security for the planet.

Promover a segurança a energética e alimentar para o planeta.

ABOUT UNICA

Elaboration: UNICA. Note: (1) _{http://www.novacana.com/usinas-brasil/;} (2) _{Data from 2010. Rais;} (3) _{Neves, Trombin and Consoli. The sugar-energy}

map of Brazil, 2010. In: Ethanol and Bioletricity; (4) _{UNICADATA, 2016}

2nd _{ETHANOL PRODUCER IN THE WORLD}

(2° Produtor mundial de etanol)

Ethanol production, 2016 = 28.2 million m3_/year(4)  22% of world production

 36% of world exports

1st _{SUGAR PRODUCER IN THE WORLD}

(1° Produtor mundial de açúcar)

Sugar production, 2016 = 31.2 million t/year(4)  22% of world production

 45% of world exports

BRAZILIAN SUGARCANE SECTOR

(SETOR CANAVIEIRO BRASILEIRO)

• Number of active mills (2016)/ Número de usinas ativas - 2016 371(1)

• Milling estimate/ Estimativa de moagem (2016/17) 605 a 630 Milhões t/ano (4)

• Planted area/ Área plantada 2015 10,87 mil ha (4)

• Sugarcane growers/ Fornecedores de cana 70,000

• Direct employment/ Empregos diretos 1.18 million(_²)

• Sector Revenues/ Receitas do setor US$ 28,15 billion(3)

• Foreign Revenue (Exports)/ Receitas com exportação US$ 16 billion (2011/12)

• Energy matrix/ Matriz energética 15.7% (2nd source > hydro)

• CO₂ emission reductions/ Redução de emissões de CO₂ > 600 million t since 1975

436 Usinas

fONTES: NIPE-Unicamp, IBGE e CTC

Ethanol-Sugar Mills Location in Brazil

In Brazil there are two sugarcane areas:

• in the North-Northeast at about 12% of the production area of cane sugar

• and the Center-South with the remaining 88%

The major peculiarity between the two regions is the sugarcane harvest in discrete period due to different weather conditions.

While in the sugarcane region Center-South, the harvest occurs from April to December in the North-Northeast harvest begins in September of that year ending in March the following year.

Cane stalks Cane juice (Sucrose) Bagasse (Cellulose) Straw (Tops and Leaves)

(Cellulose) Bioelectricity Ethanol Sugarcane Sugar Biopolymers (bioplastics, isoprene, etc) Current technology

PERSPECTIVES: NEW SUGARCANE PRODUCTS

(PERSPECTIVA; NOVOS PRODUTOS CANAVIEIROS)

Technology under development Detergents & solvents Cosmetics Lubricants Flavors and Fragrances Food Drop-in fuels (diesel, jet fuel,

gasoline)

3° generation

Ref.: Souza, Zilmar “A Bioeletricidade Sucroenergética – Situação atual e perpesctiva”, Ribeirão Preto, SP, 2015

PRIMARY ENERGY OF SUGAR CANE

Fonte: Balanço Energético Nacional BEN (206) – Relatório Síntese

PERSPECTIVES: INCREASE THE SUSTAINABILITY OF

BRAZILIAN ENERGETIC MATRIX

(PERPSPECTIVA: AUMENTO DA SUSTENTABILIDADE DA MATRIZ ENERGÉTICA)

Setor canavieiro = 17,1% (similar a hidroeletricidade = 17,2%)

POTENTIAL FOR BIOELETRIC PRODUCTION

(POTENCIAL DE PRODUÇÃO DE BIOELETRICIDADE)

DESEMPENHO AMBIENTAL DO ETANOL

ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF ETHANOL

ENVIRONMENTAL CHALLENGES:

(DESAFIOS AMBIENTAIS)

• Water Use

• Use of Waste

• Land Use

Curva de Tendência da Taxa de Captação de Água na Indústria Canavieira 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 19 70 19 8 0 19 9 0 2 0 0 0 2 0 10 2 0 2 0 Ta xa d e C ap ta çã o [m 3/ t.c an a]

DECREASE WITHDRAW OF WATER

Source: adapted from ELIA NETO, A. et al., 2009 – Manual de Conservação e reuso de Água na Agroindústria Sucroenergética . UNICA, FIESP, CTC e ANA

• Water catchment, which had been 15 to 20 m

_{per ton of cane around three or four}

decades ago, has been minimized with the rationalization of water use via re-utilization

and the closing of these systems.

• On average, water catchment for the industrial process in the sector is about 2.0 m

_{/t of}

cane (2005)

Environmental Protocol, 2014

Goal of sector

Management of Water

Resources in the Sugarcane

Agro-Industry

Trend curve of the water withdraw rate in the sugar cane industry.

Wat er w it hd ra w rat e (m 3/t ). Average withdraw

Captação Média = 2 m3_/t.cana Meta = 1 m3_/t.cana Água da Cana Média = 0,7 m3_/t.cana Lançamento Média = 0 a 1,8 m3;t cana Meta = 0 m3_/t.cana Reúso Agronômico Média = 1,8 m3_/t.cana Meta = 0,8 m3_/t.cana Perdas Média = 0,9 m3_/t.cana Meta = 0,9 m3_/t.cana Uso e reúso 22 m3_/t.cana Índice de reúso: 91% (meta 95%) 23 L/L 12 L/L 16 L/kg 8 L/kg ~ 18 L/kWh

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WATER BALANCE

Balanço médio global de água nas usinas sucroenergéticas.

2028

2008 2010

2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024

2026

• Sobra de água da cana • APPs

• RL

TECHNOLOGY WAVES - WATER USE

(ONDAS TECNOLÓGICAS – USO DA ÁGUA)

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COMPOSTING: CENTRAL WASTE

(COMPOSTAGEM: CENTRAL DE RESÍDUOS)

Misturador de resíduos desenvolvido pelo CTC

torta + fuligens + cinzas + aviários

e outros + gesso + calcário etc

Leiras de compostagem

Redução da umidade: de 70 para 30%

Penatti, C. et all Eficiência Agronômico da Torta de Filtro,Cinzas de Caldeira e Fuligem. Reunião Comitê de Meio Ambiente CTC-UNICA, Piracicaba SP, 03/2008

Possibilidades de

compostagem:

torta + fuligens +

cinzas + aviários e

outros + gesso ...

SAFRA 2015/2016

R$ 1,6 bilhão

7 milhões ha

R$ 500,00/ha

R$ 3,5 bilhões

46%

Fonte: Adaptado de Faroni et al. 10º Reunião do Comitê de Meio Ambiente/CTC-UNICA 2008 SAFRA 2015/2016

R$ 2,8 bilhões

11 milhões ha

R$ 500,00/ha

R$ 5,5 bilhões

51%

ESTIMATE OF ECONOMIC USE OF WASTE

CHALLENGE: EXPANSION OF FERTIRRIGATION

(DESAFIO: EXPANSÃO DA FERTIRRIGAÇÃO)

Tecnologias atuais da fertirrigação:



Alto custo na aplicação (equipamentos e distâncias)



Impactos ambientais



Normas de aplicação em SP, MG ... (saturação)

Travessias de rios (APP)

Resfriamento e impermeabilização de tqs Transporte Aplicação – Aspersão (hidro-roll) Canais - impermeabilizações

VINASSE CONCENTRATED – EVAPORATION

(VINHAÇA CONCENTRADA – EVAPORAÇÃO)

Tecnologias de concentração de vinhaça por

evaporação (múltiplo efeito)

• “Falling film” (Dedini-Volgelbush),

• Nevoa turbulenta (Citrotec, TASTE,..).

• Concentrações até 10 vezes

(Brix de 20%)

Concentrador de vinhaça na U. Cerradinho - Potirendaba

Tecnologias utilizadas

comercialmente na Índia

água

VINASSE CONCENTRATED – MEMBRANES

(VINHAÇA CONCENTRADA – MEMBRANAS)

2028

2008 2010

2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024

2026

• Uso intensivo dos resíduos

Subproduto • Venda de adubos orgânicos (subproduto) • Recebimento de outros adubos orgânicos (centrais de RS)

Fonte: Original elaborado por André Elia Neto, Piracicaba, SP, 2010

TECHNOLOGY WAVES - WASTE USE

Reprodução Proibida

Modelo Tecnológico para o Maior Aproveitamento da Vinhaça

Sem prejuizo da fertirrigaçâo - Biodigestão e Concentração

(Produção de: Adubo Concentrado, Energia Renovável e Água Limpa)

Biodigestão Anaeróbia (processo mesofílico) Pré Tratamento (decantação e Filtração) Concentração (Evaporação/ Osmose Reversa) Vinhaça Concentrada Água Limpa Geração de E.E. (moto geradores a biogás) Biogás Energia Elétrica Pr-tratamento (resfriamento correção de pH, ...) V Vinhaça 1ªG Vinhaça Bruta Vinhaça Bruta Vinhaça Bruta/ Biodigerida Lodo (levedura) Biometano Purificação e compressão. Vinhaça 1ªG + Vinhaça 2ªG Vinhaça Outras “vinhaças”

Rotas Potenciais de Produção de Bioeletricidade e

Biometano da Biodigestão da Vinhaça

Rota 1 – Produção de bioeletricidade (motogerador)

Biogás/ m³ etanol 114 Nm³ (60% CH₄) 40% eficiência 10% autoconsumo EE liq. =745 MJ (207 kWh) Produção de Bioeletricidade 5,7 TWh/ano (Brasil) Produção de Etanol (m3_{/safra 2013/14):} Brasil 27.531.000 12 m³ vinhaça/ m³ etanol 285 kg DQO/m³ etanol 178 kg DBO5/m³ etanol Produção de Biometano 1,8 bilhões Nm3_{/ano (Brasil)}

Biometano/ m³ etanol Teórico: 68,4 Nm³ (100% CH₄) Perdas 5% Biometano (98%) = 66,3 Nm3 Consumo Elétrico (2013): 516,3 TWh/ano (Brasil)1 Energia do biogás da vinhaça: 1,1% do consumo Nacional Consumo de gás natural 28,1 bilhões de N m3 por ano

(Brasil)1

Rota 2 – Produção de biometano com a purificação do

biogás _{Produção de} biometano da vinhaça: 6,4% do consumo Nacional

1_{Consumo de gás natural no Brasil de 77 m3/dia x 10}3 _{tep (BEN – Balanço Energético Nacional, 2014)}

Equivalente 1,4* residência/mês

Reator Anaeróbio UASB (Destilaria Indiana).

Reator Anaérobio (UASB)

Moto-geradores a biogás da Brasmetano.

CHALLENGE: THE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES

BIODIGESTION VINASSE

(DESAFIO: DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIAS DE BIODIGESTÃO DE VINHAÇA)

Biodigestor Usina JB/CETREL Recife 2012

2028

2008 2010

2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024

2026

WAVES TECHNOLOGY – BIOELECTRICITY

(ONDAS TECNOLÓGICAS – BIOELETRICIDADE)

5,5

0.6%

Million Hectares

LAND USE IN BRAZIL

Source: ICONE, IBGE (PAM 2010 and Censo Agropecuário), MMA, INPE (TerraClass), Agricultural Land Use and Expansion Model Brazil Ag-LUE-BR (Gerd Sparovek, ESALQ/USP). Compiled by: UNICA and Cosan. Note: ILs = Indigenous Lands. Other Native Vegetation include Legal Reserves (RLs)

Total Area

Native Vegetation

Land in Current

Use

Other Uses

851

554

258

38

100% 65% 30% 5%

Pastures Crop Land

Sugarcane (planted) 10,9 1,2% 60 7% 198 23% Sugarcane FOR ETHANOL 204 24% Conservation Units and ILs

135 16% Permanent Protected Areas 215 25% Other Native Vegetation 2,9 3,8 10,9 14,4 21 Others crops (million hectares)

1

_G

_{1 hectare}

1 hectare

Sugarcane Juice +

Molasses

Sugarcane Juice

+ Molasses +

Bagasse + Trash

7,000 liters ethanol

30% – 40% more

ethanol

(7,000 L from juice

+ 2,800 L from

bagasse and trash)

1

ST

_{G ETHANOL VERSUS 1}

ST

_{G + 2}

ST

_G

ETHANOL

Potential to double 1

_{G production depending}

on the availability of biomass and process

efficiency.

2028

2008 2010

2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024

2026

WAVES TECHNOLOGY - LAND USE

(ONDAS TECNOLÓGICAS – USO DA TERRA)

PATHS TO SUSTAINABILITY

(CAMINHOS PARA A SUSTENTABILIDADE)

• Reduções de GEEs

(Reduções de GEEs)

• Agroecological Zoning

Zoneamento Agroecologico

• Agroenvironmental Protocol/“Ethanol Green”

Protocolo Agroambiental/Etanol Verde

• BONSUCRO Certification

• Certificação BONSUCRO

• GRI-Global Reporting Initiative

GRI- Global Report Initiative

• Environmental Chamber Sugarcane Sector

Obrigado pela atenção