Aula-Semana.02

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Professoras: Professoras: Professoras: Professoras: Professoras: Professoras: Professoras: Professoras:

Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Ana Maria Pereira Neto Dra. Juliana Dra. Juliana Dra. Juliana Dra. Juliana Dra. Juliana Dra. Juliana Dra. Juliana

Dra. Juliana TófanoTófanoTófanoTófanoTófanoTófanoTófanoTófano de Campos Leite de Campos Leite Tonelide Campos Leite de Campos Leite de Campos Leite de Campos Leite de Campos Leite de Campos Leite ToneliToneliToneliToneliToneliToneliToneli

Biotecnologia: produção de combustíveis

a partir de fontes renováveis

Biotecnologia de Combustíveis

A demanda por energia vem aumentando em uma taxa

exponencial devido, principalmente, ao crescimento

populacional e econômico das nações. Isto, combinado com

a depleção dos combustíveis fósseis e, conseqüentemente,

degradação do meio ambiente, sugere que o suprimento

energético no futuro seja diversificado.

FONTES RENOVÁVEIS DE ENERGIA

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Conceitos Fundamentais

Energia

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Energia

EnergiaEnergia é a capacidade de ocasionar alterações, que se apresenta em muitas formas (térmica, mecânica, elétrica, química e nuclear), sempre representando um potencial para causar transformações, sejam naturais ou antrópicas.

Primeira Lei da Termodinâmica:

(

princípio de conservação da energia)

energia não pode ser criada e nem destruída durante

um processo.

Fontes de Energia

Combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural); Nuclear (fissão e fusão);

Hídrica; Eólica; Solar;

Geotérmica (magma, lava e gêiseres); Oceanos;

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Fontes de Energia

Renováveis X Não Renováveis

Fontes de Energia

Renováveis

Renováveis::

Uma fonte é de energia renovável quando emprega como matéria prima elementos que podem ser recompostos na natureza em um processo inesgotável ou em processos cujas reposições são realizadas em curto prazo.

Não

Não Renováveis

Renováveis::

Quando se utilizam como matéria prima elementos que irão se esgotar na natureza ou que sejam de difícil renovação, levando séculos ou milênios para se recomporem, diz-se que é uma fonte de

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Bioenergia

Um caso particular de energia química é a bioenergiabioenergia, que pode ser definida como toda e qualquer forma de energia associada a formas de energia química acumulada mediante processo fotossintético, direta ou indiretamente.

Os recursos naturais que dispõem de bioenergiabioenergia e que podem ser

processados para fornecer formas bioenergéticas mais elaboradas e adequadas para o uso final, em geral, denomina-se biomassabiomassa.

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Biomassa

BiomassaBiomassa é todo recurso renovável

oriundo de matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que, diretamente ou por transformação natural ou artificial (processos físicos, químicos ou bioquímicos), pode ser utilizada como fonte de energia.

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Biomassa

Biomassa, uma das primeiras fontes de energia utilizada pela

humanidade, é o termo utilizado para descrever toda a matéria produzida biologicamente.

De todas as fontes renováveis de energia, é a única em que a

energia solar é efetivamente armazenada, podendo ser convertida em combustíveis sólidos, líquidos e gasosos.

Além disso, está sempre disponível e é a única fonte renovável de

carbono.

Embrapa Embrapa

Biomassa

Além de renovável, a biomassa emite menos CO2que os combustíveis fósseis e contribui

para a redução do efeito estufa, um dos grandes problemas ambientais da atualidade.

carbono neutro carbono neutro carbono neutro carbono neutro

Seu uso não adiciona CO2 no ambiente, em contraste dos

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Biomassa

Porém, a queima da biomassa ou dos combustíveis derivados

produzem alguns poluentes, incluindo poeira e gases causadores da chuva ácida, como óxidos de enxofre e de nitrogênio.

No entanto, a queima da madeira produz 90% menos enxofre do

que o carvão, ocasionando menor impacto ambiental.

Além do aproveitamento energético da biomassa, a ampla gama de

biomoléculas que a constitui pode ser empregada, por exemplo, em indústrias de química orgânica, reduzindo consequentemente o consumo de insumos não renováveis derivados de petróleo, agregando benefícios ambientais e econômicos ao processo de produção de biomassa.

Fontes de Biomassa

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Fontes de Biomassa

De acordo com a sua origem, podem ser: florestal (madeira, principalmente);

agrícola (soja, arroz, cana-de-açúcar, entre outras);

rejeitos agrícolas, industriais ou urbanos (sólidos ou líquidos, como o lixo);

resíduos de origem vegetal e animal;

óleos vegetais e gorduras animais usados, etc.

Tipos de Biomassa:

Sólida

Líquida

Gasosa

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Tipo de Biomassa

Pode dar origem a combustíveis: Sólidos:

Fonte de origem: produtos e resíduos sólidos da agricultura, florestais, industriais, urbanos, etc.

*lenha, carvão vegetal, etc.

Líquidos:

Fonte de origem: “culturas energéticas”. *biodiesel, etanol, óleos in natura, etc.

Biomassa Sólida

Biomassa Líquida

Tipo de Biomassa

Pode dar origem a combustíveis: Gasosos:

Fonte de origem: efluentes agro-pecuários, da agro-indústria, urbanos (lodos de estações de tratamento de efluentes domésticos) e em aterros de resíduos sólidos urbanos (RSU).

*biogás (mistura de CH4 e CO2): digestão anaeróbia da

matéria orgânica.

*gaseificação da biomassa (CO, H2, CH4, CO2, C2H4).

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Classificação

Classificação::

Biomassa

Biomassa Tradicional

Tradicional

Biomassa

Biomassa Moderna

Moderna

Classificações

Biomassa

Biomassa Tradicional

Tradicional::

 Produzida de maneira insustentável e usada como fonte não

comercial de energia;

 Combustão direta de lenha e madeira de desflorestamento,

resíduos agrícolas, de animais e urbanos;

 Utilizada de maneira rústica, com eficiências baixíssimas, para

cocção de alimentos e aquecimento de ambientes;

 Combustível barato e acessível, sendo muito utilizado em países

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Classificações

Biomassa

Biomassa Moderna

Moderna::

 Biomassa produzida de forma sustentável, utilizando tecnologias

modernas e de alta eficiência;

 Utiliza culturas energéticas ou resíduos de seu processamento

para a produção de energéticos secundários;

 É a utilização de lixo sólido, resíduos florestais e de agricultura

para sua conversão em energia elétrica e produção de calor, bem como os biocombustíveis para transporte.

Fontes de Biomassa,

algumas Características,

Processos de Conversão,

Energético

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Tecnologias de Aproveitamento

* Os derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos.

Conversão de Biomassa

Rotas tecnológicas para produção de bioenergia:

Depois do seu tratamento, a biomassa é convertida em três

grandes formas de energia: térmica, elétrica ou mecânica.

Esta flexibilidade permite à biomassa

estar em concorrência direta com a energia produzida por fontes fósseis.

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Biocombustíveis?

Biocombustíveis

Biocombustível: vetor energético (secundário) de uso final, derivado da biomassa (lenha, carvão vegetal, bagaço de cana, etanol, biogás, biodiesel, etc.).

São considerados biocombustíveis:

Bioetanol:etanol produzido a partir de biomassa e/ou da fração biodegradável de resíduos. É produzido a partir da fermentação de carboidratos (açúcar, amido, celulose) que têm origem em culturas como a cana-de-açúcar, trigo, milho, batata, etc;

Biodiesel: éster metílico produzido a partir de óleos vegetais ou animais, que apresenta qualidades de combustível para motores diesel. É obtido, principalmente, a partir de plantas oleaginosas, como a soja ou girassol, através de um processo químico

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Biocombustíveis

Biometanol: metanol produzido a partir de biomassa, através de um processo de gaseificação;

Biogás: gás combustível produzido a partir de biomassa e/ou da fração biodegradável de resíduos (efluentes agropecuários, agro-industriais e urbanos) e que pode ser purificado até atingir a qualidade de gás natural. Resulta da digestão anaeróbia da matéria orgânica contida nos resíduos;

Bioéter dimetílico:éter dimetílico produzido a partir de biomassa;

Bio-ETBE (bioéter-etil-ter-butílico): produzido a partir de bioetanol. É utilizado como aditivo oxigenado nas formulações de gasolina sem chumbo;

Bio-MTBE (bioéter etil-ter-metílico):combustível produzido com base em biometanol;

Biocombustíveis

Biocombustíveis sintéticos: hidrocarbonetos sintéticos ou misturas produzidos a partir de biomassa;

Biohidrogênio: hidrogênio produzido a partir de biomassa e/ou da fração biodegradável de resíduos;

Óleo vegetal in natura:óleo bruto ou refinado produzido por pressão, extração, entre outros, a partir de plantas oleaginosas.

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Classificação

Biocombustíveis de 1ª Geração

Tipo Matéria-prima Processo

Bioetanol milho, cana-de-açúcar,

beterraba hidrólise e fermentação

Óleo Vegetal oleaginosas extração

Biodiesel oleaginosas extração e transesterificação Biodiesel resíduos e óleo de fritura transesterificação

Biogás biomassa digestão anaeróbia

1ª geração:

Baixa complexidade tecnológica (conversão simples da biomassa); Predominância de matéria prima cultivada.

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Biocombustíveis de 2ª Geração

Tipo Matéria-prima Processo

Bioetanol material lignocelulósico hidrólise e fermentação avançada Biocombustíveis

sintéticos material lignocelulósico gaseificação e síntese Biodiesel óleos e gorduras hidrogenação (refino) Biogás material lignocelulósico gaseificação e síntese Biohidrogênio material lignocelulósico gaseificação e síntese ou

processo biológico 2ª geração:

Alta complexidade tecnológica (conversão sofisticada da biomassa); Uso integral de produtos, subprodutos e resíduos como matéria prima.

Matriz Energética

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Matriz Energética

Matriz Energética -- Brasil

Brasil

Oferta interna de energia elétrica (OIE) por fonte em 2010:

Biomassa Biomassa::

Lenha e carvão vegetal Produtos da cana de açúcar Outras renováveis Biomassa Biomassa Energia Hidráulica Energia Hidráulica e Eletricidade e Eletricidade Nuclear Nuclear Carvão e Derivados Carvão e Derivados Gás Natural

Gás Natural _{Petróleo e Derivados}_{Petróleo e Derivados}

74,0% 74,0% 4,7% 4,7% 3,6% 3,6% 6,8% 6,8% 1,3% 1,3% 2,7% 2,7% 0,4% 0,4% 6,5% 6,5% Eólica Eólica Importação Importação 66,9 66,9 114,8 114,8 142,0 142,0 190,6 190,6 252,6 252,6 243,9 243,9 268,7 268,7

Oferta Interna de Energia

Oferta Interna de Energia -- Brasil

Brasil

Evolução da OIE no Brasil (106_{tep – BEN 2011):}

2010 2010 2009 2009 2008 2008 2000 2000 1990 1990 1980 1980 1970 1970

teptep:: é a unidade de energia de referência, correspondendo à quantidade de energia contida em uma tonelada de petróleo de referência (~10.000 Mcal). *não é equivalente ao petróleo

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Energia no Brasil

Energia no Brasil -- 2010

2010

Oferta total de energia (BEN 2011):

268,7 milhões de

268,7 milhões de tep

tep

Fontes não renováveis:

Fontes renováveis:

146,4 milhões de

146,4 milhões de tep

tep

122,3 milhões de

122,3 milhões de tep

tep

É equivalente à 2% da energia mundial.

Renovável X Não Renovável

OECD: Organization for Economic Co-operation and Development

Brasil: Mundo: Países da OECD: 6,7% 12,9% 45,5% 93,3% 87,1% 54,5%

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Renováveis X Não Renováveis

Participação de fontes renováveis e não renováveis na OIE: 2010 2010 2009 2009 2008 2008 2000 2000 1990 1990 1980 1980 1970 1970

Renovável

Não Renovável

58,4 45,6 49,1 41 45,3 47,3 45,5 41,6 54,4 50,9 59 54,7 52,7 54,5

Projeções para o Brasil

Projeções mundiais para oferta e demanda de energia oriunda da

biomassa:

Ano 1999 2000 2010 2020 2030

TWh 132 197 260 335 423

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Evolução do custo da biomassa (em US$/GJ):

Ano 2000 2005 2010 2020

Custo 2,4 1,8 1,4 1,2

Fonte: CGEE - Estado da arte e tendências tecnológicas para energia.

A previsão de redução dos custos da energia derivada da biomassa pode alterar esse quadro, o que dependerá fundamentalmente da

evolução e dos resultados P, D & I.

Projeções para o Brasil

Uso de Energia

Quem utiliza energia no Brasil? (BEN 2011 – ano base 2010)

*Setor energético agrega os centros de transformação e,ou processos de extração e transporte interno de produtos energéticos, na sua forma final.

RESIDENCIAL 9,8% _COMERCIAL 2,7% PÚBLICO_1,5% AGROPECUÁRIO 4,1% TRANSPORTES 28,8% INDUSTRIAL 35,6% SETOR ENERGÉTICO 10,5%

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Uso de Energia

31% 28% 23% 19%

Industrial Transporte Residencial Comercial

Quem utiliza energia nos USA?

Fonte: U.S. Energy Information Administration (EIA – 2011).

Uso de Energia

Q u ad ri lh õ es d e B tu

Energia consumida por setor (1949-2009):

Industrial

Transporte

Residencial Comercial

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Setor de Transportes

NREL 2010

Transportes no Brasil

Setor de transportes (BEN 2011 – ano base 2010):

Setor de Transporte Consumo final energético (103_tep) Rodoviário Rodoviário 63.963 Ferroviário Ferroviário 846 Aéreo Aéreo 3.241 Hidroviário Hidroviário 1.380

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Brasil

Brasil -- Setor de Transportes

Setor de Transportes

Setor rodoviário: 63.963 x 103tep (BEN 2011 – ano base 2010).

gás natural álcool etílico anidro álcool etílico hidratado gasolina automotiva óleo diesel 2,8 % 2,8 % 5,9 % 5,9 % 12,9 % 12,9 % 27,4 % 27,4 % 51,0 % 51,0 %

69.430 x 10

3 3

_tep

Aspectos Positivos

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OO BrasilBrasil temtem umauma sériesérie dede vantagensvantagens queque oo qualificamqualificam aa liderarliderar aa agricultura

agricultura dede energiaenergia ee oo mercadomercado dada bioenergiabioenergia emem escalaescala mundialmundial::

Possibilidade de dedicardedicar novasnovas terrasterras àà agriculturaagricultura dede energiaenergia, sem necessidade de reduzir a área utilizada na agricultura de alimentos, e com impactos ambientais circunscritos ao socialmente aceito.

Além disso, em muitas áreas, éé possívelpossível fazerfazer múltiplosmúltiplos cultivoscultivos sem irrigação.

Com irrigação, essa possibilidade amplia-se muito.

Por situar-se, predominantemente, nas faixas tropical e subtropical, o Brasil

Brasil receberecebe durantedurante todotodo oo anoano intensaintensa radiaçãoradiação solarsolar, que é base da produção de bioenergia.

Biomassa X Brasil

Além disso, o país tem amplaampla diversidadediversidade dede climaclima ee exuberânciaexuberância dede biodiversidade

biodiversidade, além de possuir umum quartoquarto dasdas reservasreservas dede águaágua docedoce. O Brasil assumiu, com sucesso, a liderançaliderança mundialmundial nana geraçãogeração ee nana implantação

implantação dede modernamoderna tecnologiatecnologia dede agriculturaagricultura tropicaltropical; destacando-se a cadeia produtiva do etanol, reconhecida como a mais eficiente do mundo. O mercadomercado consumidorconsumidor tem tamanho suficiente para permitir ganhos de escala que reforçam a competitividade do negócio da bioenergia em sua escalada rumo ao mercado mundial.

A curto prazo, uma das forças propulsoras da demanda por bioenergia será a pressãopressão ambientalambiental pelapela substituiçãosubstituição dede combustíveiscombustíveis fósseisfósseis.

Existem também diversos aspectos econômicos e sociais envolvidos em relação à criaçãocriação dede postospostos dede trabalhotrabalho ee desenvolvimentodesenvolvimento dede regiõesregiões ruraisrurais.

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Usinas de Biomassa

em operação em novembro de 2008.

Segundo ANEEL, existem 302 termelétricas movidas a biomassa no país, que

correspondem a um total de 5,7 mil MW (megawatts) instalados.

Aspectos Negativos

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Biomassa

Biomassa –– Aspectos Negativos

Aspectos Negativos

ProduçãoProdução dede biomassabiomassa parapara finsfins energéticosenergéticos podepode ocasionarocasionar::

Impactos ambientais:

Combustão incompleta produz material orgânico particulado, CO e outros gases;

O uso de altas temperaturas de combustão pode gerar NOx;

Desflorestamento e desertificação.

Conflitos em relação à produção de alimentos (uso da terra e de recursos hídricos).

Alguns tipos de biomassa apresentam balanço energético negativo. Há países que incentivam o uso de combustíveis fósseis através de políticas públicas (taxas e subsídios).

Biomassa

Biomassa –– Aspectos Negativos

Aspectos Negativos

PrincipaisPrincipais dificuldadesdificuldades::

baixa densidade e produção dispersa; estado físico sólido;

umidade.

DesafiosDesafios tecnológicostecnológicos::

tecnologias de colheita e logística (estocagem e transporte); aprimoramento de tecnologias de conversão energética;

custo de implantação e manutenção dependentes da cotação do

barril de petróleo;

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Preço do Barril de Petróleo

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012

Cotação do barril de petróleo (EIA 2012):