A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2 a e 3 a Geração

(1)

II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira

Universidade de São Paulo – USP Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos - FZEA

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

a

_{e 3}

a

_Geração

Por:

Edgardo Olivares Gómez

Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída – NEST Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

12 – 13 de Junho de 2007 Pirassununga, SP

(2)

II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

a

_{e 3}

a

_Geração

Autores:

Edgardo Olivares Gómez

Mónica Andrea Gualdrón Mendoza

Doris del Socorro Obando Coral

(3)

II GERA: Worshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

a

_{e 3}

a

_Geração

Objetivo:

Mostrar o potencial técnico que representam algumas das

principais rotas tecnológicas de produção de biocombustíveis de

2

a

_{y 3}

a

_{geração pela plataforma termoquímica, a partir dos}

subprodutos da cana de açúcar (bagaço e palha de cana)

visando-se um modelo energético mais avançado para o setor

sucroalcooleiro nacional.

(4)

Tecnologias para vetores bioenergéticos de 1ª, 2a _{e 3}a _{geração na agroindústria}

canavieira

Agenda:

9 Panorama sobre cenários de energia – reflexões..

9 Modelos de produção de bioenergia em larga escala no setor sucroalcooleiro no Brasil – passado e presente.., dados do setor, evolução e consolidação..

9 Biocombustíveis líquidos de 1a _{geração no setor sucroalcooleiro nacional – o caso do}

Etanol Combustível, rota tecnológica, custos, expansão..

9 Principais atrativos em tecnologias termoquímicas para vetores bioenergéticos líquidos – O syngas de materiais lignocelulósicos, características e aplicações..

9 Introdução ao cenário de produção de combustíveis de 2ª e 3ª geração – presente e futuro, aspectos tecnológicos, custos..

9 Pesquisa, desenvolvimento e demonstração de tecnologias – O caso da tecnologia CHOREN para diesel F-T..

(5)

Fontes de Energia

Fonte: Queiroz, M. S., 2006

Fonte: BEN – MME, 2005

Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta de Energia –

Cenário

Mundial

Consumo de energia mundial de 15,7 bilhões tep (2004)

(6)

Fontes de Energia

Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta e Consumo de Energia –

Cenário Nacional

>30%

FR=44-46%

>120 M tep TOTAL >191 M tep

(7)

Fontes de Energia –

Cenário Nacional

Extensão territorial 8.5 M km2_;

População de 176,9 M habitantes (aprox. 3% da população mundial) e PIB de 498,4 bilhões US$-PIB energético de 34,4 bilhões US$ (dólar constante de 2003)

Consumo de energia de 180,8.106 _{tep no ano de 2003 (aprox. 2,6%}

do consumo mundial em 2001);

47% da matriz primária é renovável: hidráulica 14,3% e biomassa 32,6% (lenha 14,1% , produtos da cana-de-açúcar 15,4% e outras fontes 3,1%);

Oferta interna de energia-OIE de 201,7 M tep no ano de 2003: petróleo e derivados 40,0%, hidráulica e eletricidade 14,5%, e biomassa 29,6% (biomassa no mundo foi de 11,4% em 2001);

Emissões de 1.7 tCO₂ /tep (no mundo 2.36 tCO₂ /tep ) – 72%

(8)

Fontes Fósseis Líquidas

Cenário Nacional de consumo de Diesel e Gasolina:

¾

Total: 40 bilhões de litros/ano(diesel):

- Transporte: 32,1 bilhões litros/ano (80,3%);

- Agricultura: 6,51 bilhões litros/ano (16,3%);

- Indústria: 0,84 bilhão litros/ano (2,2%);

- Outros: 0,45 bilhão litros/ano (1,2%)

- Importação de diesel: 6% a 8% do consumo

¾

Total: 17,7 bilhões de litros (gasolina):

(9)

Fontes Fósseis

Rotas de aplicações:

1. Fonte de energia

2. Insumos para produtos químicos

Prospecção:

1. Extensão do período de uso

2. Substituição gradativa das fontes fósseis

no setor energético e de transportes (fontes

renováveis de biomassa)

(10)

Fontes de Biomassa – Biomassa Tradicional

Lenha e Carvão Vegetal:

Bagaço de Cana:

101,8 M ton (2004) - Uso nas usinas

4,6% crescimento em relação 2003

Excedente de 8,2 M ton – Uso não energético

Consumo de carvão

vegetal:

9,8 M ton (2004),

16,9% crescimento em

relação 2003

(11)

Fonte: BEN – MME, 2005

PRINCIPAIS cenários de desenvolvimento tecnológico em rotas energéticas baseadas em vetores biocombustíveis

FORMAS DE ENERGIA PARA O

USUÁRIO FINAL FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA PROCESSO PRIMÁRIO

Combustíveis líquidos

Etanol Cana-de-açúcar Fermentação-Destilação

Ethanol Milho, mandioca e sorgo

Sacarificação-Fermentação-Destilação

Ethanol Bagaço e palha de cana, switchgrass. etc. Hidrólise (ácida e enzimática)

Metanol Bagaço e palha de cana, casca de arroz, switchgrass, etc.

Gaseificação e síntese posterior

Biodiesel Dendê, mamona, soja, gordura animal, etc. Transesterificação Combustíveis F-T Resíduos de Biomassa Gaseificação e síntese

posterior Combustíveis gasosos

Biogás Resíduos sólidos municipais Fermentação Anaeróbica Hidrogênio Resíduos de Biomassa Reforma de Metanol,

Etanol e rota Syngas Energia elétrica

Energia elétrica Biomassa (casca de arroz, resíduos de madeira, etc.)

Gaseificação,Combustão e Pirólise

Energia elétrica Bagaço de cana-de-açúcar, Licor Negro, etc. Combustão (Co-geração)

Calor de processo

Carvão vegetal Madeira Carbonização

Calor Resíduos de madeira, biomassa vegetal em geral

Combustão, Gaseificação e Pirólise

(12)

Vetores bioenergéticos líquidos de 1

a

e 2

a

geração- Principais prioridades e atrativos

no Brasil

1. ETANOL da cana-de-açúcar e outros insumos

(mandioca e sorgo) - processo convencional;

2. ETANOL de lignocelulósicos -

processo de

hidrólise;

3. BIODIESEL de óleos vegetais e outros substratos;

4. BIO-ÓLEO de resíduos agroindustriais e florestais

via pirólise rápida para syngas;

5. METANOL e Combustíveis Fisher-Tropsh (diesel e

gasolina) via processos de síntese a partir do

syngas

(13)

Plataforma de Açúcares

para vetores biocombustíveis líquidos de 1a

geração – O álcool combustível na Agroindústria Canavieira

Geração de Energia para o Processo

“Velho Conceito”

Modelo Energético do Setor Sucroalcooleiro no Brasil da década de 80

Produção de Etanol Energia (para o Processo de fabricação) Produção de Açúcar

até 40% da E.E. consumida em processo era importada

Bases do modelo:

Dependência • Auto-suficiência em energia térmica...

(14)

Plataforma de Açúcares

para vetores biocombustíveis líquidos de 1a

geração – O álcool combustível na Agroindústria Canavieira

Modelo de Produção de Bio-energia baseado em um Novo Conceito de Geração

Produção de Energia em Larga Escala “Novo Conceito” Produção de Etanol Energia e Excedentes de Energia Elétrica Excedente de Bagaço de cana Bases do modelo:

• Otimização energética dos atuais processos produtivos – ganhos potenciais...

• Adoção de novas e avançadas tecnologias de produção de energia e materiais (Bio-refinarias)

Produção de Açúcar Otimização

Palha de cana Recuperação econômica Hidrólise Ciclos convencionais/BIG-GT/CC

Syngas para combustíveis líquidos

Ciclos convencionais ou Processos pirólise/gaseificação

Exportação de Excedentes

(15)

ETANOL - PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS

• USO COMERCIAL:

AÇÚCARES: Cana-de-Açúcar (caldo e

melaço)

Beterraba

Amidos: Milho e trigo

• FUTURO (etanol de 2ª geração):

MATERIAL LIGNOCELULÓSICO: Bagaço e palha de

cana, outros..

(16)

ETANOL - PROCESSOS PRODUTIVOS

• PLATAFORMA DE AÇÚCARES –

FERMENTAÇÃO:

Cana-de-Açúcar (caldo e

melaço), beterraba..

• PLATAFORMA DE AMIDOS - SACARIFICAÇÃO E

FERMENTAÇÃO: Amidos: Milho e trigo

• PLATAFORMA BIOQUÍMICA – (Etanol de

2ª geração) – PRE-TRATAMENTO,

HIDRÓLISE E FERMENTAÇÃO:

Bagaço e

palha de cana, outros..

(17)

O Setor Canavieiro Nacional

Característica da cultura.

Evolução da produção brasileira de cana-de-açúcar.

(18)

O Setor Canavieiro Nacional

Evolução da área de produção e da produtividade brasileira de cana-de-açúcar.

7,64 M ha – A. Plantada 6,19 M ha – A. Colhida 458 M ton – Cana 74 ton/ha – R. Médio

Destinação dos ATR da cana para a produção de açúcar e álcool

(19)

Expansão da produção sucroalcooleira

nacional

Localização das usinas no Brasil

Fonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006)

Expansão “não-induzida”:

9100% Centro-Sul (60% em SP)

9Usinas de capacidade média de 1 M litros de álcool/d (12 mil tcana/d)

9Caldeiras com parâmetros do vapor (≥ 65 bar)

Novas usinas

Concentração:

N-NE: Zona da Mata Centro-Sul: São Paulo

(20)

Expansão da produção sucroalcooleira nacional

Ótimo Bom Médio Impróprio Bacia Amazônica Pantanal Mata Atlântica

Potencial de produção de cana-de-açúcar com irrigação

Potencial de produção de cana-de-açúcar sem irrigação

(21)

Tecnologias para vetores bioenergéticos líquidos de 1a _{geração (etanol}

combustível)

Mixed Juice - Sugar 460kg SO2 <1kg Lime <1kg Phosphoric Acid < 1kg Water 23kg Steam 280kg Cooling Water 900kg Dillution Water 3kg Vapor 33kg Cooling Water Steam 3kg Juice treatment for sugar Treated Juice 458kg Evaporation

Syrap for sugar 73kg Boiling Cristallization Drying Sugar 55kg Filter Cake 27kg Vapor Condensate 60kg Syrap for Ethanol Vapor Condensate 170kg Vapor 163kg Steam Condensate 230kg Waste Water 921kg Molasse 10kg Condensate 2kg 3 4 Vapor Condensate 33kg Waste Water Vapor 60kg 3

Mixed Juice - Sugar 540kg Water 27kg Vapor 70kg Juice treatment for ethanol Filter Cake 47kg Vapor Condensate 70kg 4 Treated Juice 520kg Must 561kg Steam 217kg Distillation Hydrous Ethanol 25kg/25 l 2nd Ethanol 2kg Fusel Oil <1kg Vinasse 540kg/490 l Condensate 180kg Waste Water Fermentation Wine 619kg Coolling Water Anhydrous Ethanol 19kg/24 l Clean Cane 1000kg Water: 65-75% Sugars: 12-18% Fibers: 1-2% 1 Water 5000kg Embibition Water 300kg Cane Washing Milling Mixed Juice 1.020kg Waste Water 5000kg Bagasse 280kg Regis L.V.Leal, 2005

Tecnologia

Convencional

(22)

Álcool dos açúcares da cana de açúcar

Custos de produção:

~

R$ 0,52

(23)

Álcool dos açúcares da cana de açúcar

Sustentabilidade e Renovabilidade Energética:

Matéria prima Energia Produzida/Energia

Consumida

Trigo 1.2

Milho (EUA) 1.3 – 1.8

Beterraba (UE) 1.9

Cana

Cana--dede--aaçúçúcar (Brasil)car (Brasil) 8.38.3

Gasolina 0.83

Eficiência Energética :

GANHO DE COMPETITIVIDADE

(24)

Plataformas de conversão para vetores bioenergéticos

de 1

a

_{, 2}

a

_{e 3}

a

_geração

(25)

Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para

combustíveis de 2

a

_{e 3}

a

_{geração e produtos químicos}

Produtos

• Hidrogeno • Álcoois • Gasolina FT • Diesel FT • Olefinas • Oxoquímicos • Amoníaco • SNG • Hidrogeno • Olefinas •Aceites • Químicos especiais • Hidrogeno • Metano • Aceites • Outros Biomassa

gasificação limpeza sínteses

Pirólise Conversão e _coleção purificação

Outras

conversações* Separação purificação

* Processos de hidrotratamento: Liquefação e outros

(26)

Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para

combustíveis de 2

a

_{e 3}

a

_{geração e produtos}

químicos-Rota da pirólise e a gaseificação combinada

(27)

Biocombustíveis de 1ª e 2

a

geração

Processo Produto Grupo Fermentação/ Esterificação Bioetanol Biogás Biodiesel GTL (Gas to liquid) SynFuel Diesel sintético fóssil CTL (Coal to liquid) Synfuel Diesel sintético fóssil BTL (Biomass to liquid) SunFuel Diesel sintético renovável Biocombustíveis Convencionais Combustíveis sintéticos 1a _{geração de} biocombustíveis 2a _{geração de biocombustíveis}

(28)

Gás Sintético e de Syngas - Conceitos

Gás Sintético:

Mistura trifásica e multicomponentes: CO, H2, CH4, N2,

H2O, Hidrocarbonetos C2 e C3, outros compostos

gasosos; particulados de charcoal e cinzas, e alcatrão na

fase de aerossol.

Syngas:

Mistura monofásica (gasosa) e multicomponentes com

exigências técnicas dependendo do uso final. O modelo

teórico de syngas gerado para a síntese de combustíveis

e produtos químicos é basicamente formado por uma

(29)

Geração de gás sintético – Modelos típicos de

gaseificadores para biomassa

Leito Fixo Contracorrente Leito Fluidizado Borbulhante Leito Arraste Co-corrente Circulante

Pressurizado e não pressurizado

Autotérmico e alotérmico

Com Ar ou oxigênio

(30)

Composição do gás sintético em função do tipo de

gaseificador

Algumas Tecnologias

LFB LFC Leito Fixo

FERCO MTC

Range Range Purox Shell

Vários Vários Madeira Carvão

23,4 24 67 4 3 0,02 0 1 0 0,04 1 0,36 9,51 39,1 24,4 -5,47 -0,05 -0,6 -43,3 9,22 28,1 5,57 4,73 -0,08 0 0 0 4,6 16,7 14,9 46,5 14,6 -17,8 -0 0 0 0,3 18 7 a 20 9 a 27 11 a 16 10 a 14 < 9 < 1 -0 0 0 46 a 52 0,6 a 1 4 a 7,5 5 a 26 13 a 27 9 < 18 3 a 11 < 0,11 - 0 < 0,2 0 13 a 56 0,2 4 a 13 Combustível H2 Combustível CO2 H2O CH4 Alcatrão H2S O2 NH₃ N₂ Relação H2/CO Poder Calorífico (MJ/Nm3₎ Fonte: NREL, 2004

(31)

Parâmetros de operação e eficiência em projetos

demonstrativos de gaseificação de biomassa

Fonte: (NOGUEIRA e SILVA-LORA, 2003)

Empresa Agente de

gaseificação Capacidade (MWt) Pressão (MPa) Temp. do leito (°C) (MJ/NmPCI gás 3₎ Eficiência _do

gaseificado r (%) Alhstrom/ Bioflow Ar 18 2,4 950-1000 5,0 82-83 TPS _Ar ₆₅ _0,18 _890-920 _6,2 ₇₇ Lurgi _Ar ₁₆ _0,10 ₈₀₀ _5,8 -IGT/ Renugas Ar + vapor 20 2,07 830 4,3-4,8 -BCL _{Ar + vapor} ₄₀ _0,2 ₈₃₀ _15,6 _75-80 Omnifuela _Ar ₂₃ _0,1 ₇₆₀ _4,99

(32)

Critérios para processos de produção de Syngas a partir

de biomassa – Gaseificação e Purificação do gás

Qualidade do gás

Teor de hidrocarbonetos (Metano, alcatrão, outros) no

gás bruto.

Relação H

₂

/CO

Impurezas

Eficiência a frio do gás.

Flexibilidade dos insumos.

Pressão de operação.

Maior potência por unidade / economia de escala

(33)

Principais considerações tecnológicas para

processos BTL

(34)

Porque Syngas de Biomassa?

Biomassa Produção de gás de síntese a partir de biomassa Síntese de combustíveis Líquidos Síntese de Fischer-Tropsch Combustíveis para o mercado existente

(35)

Rotas de aplicações para o Syngas

Células combustíveis MTBE

CO + H

₂ Fischer-Tropsch Gasolina Diesel Produtos químicos H₂ H2O WGS (SNG) Gás Natural Sintético Gás médio poder calorífico Metanol (DME) Isobuteno Zeólita Gasolina

(36)

Combustíveis Fischer-Tropsch baseados na

biomassa - Custos

Componentes do

custo TIJMENSEN (2000) ₍₁₉₉₆₎MITRE NOVEM ₍₂₀₀₀₎ Biomassa

(ton/dia) 1920 2000 1358

Custo da

biomassa, US$ _{38/ton seca}2/GJ _{46/ton seca}2.45/GJ _{55/ton seca}3/GJ Preço da eletricidade, US$ 0.057/kWh 0.05/kWh 0.067/kWh Preço do produto (sem custo de distribuição e taxas), US$ 13-30/GJ 1.8-4.1/galão 8-14/GJ 1.1-1.9/galão 9-13/GJ 1.2-1.8/galão

(37)

Hidrogênio baseado na biomassa - Custos

Componentes

do custo HAMELINK (2001) LARSON (1992) SPATH ₍₂₀₀₀₎

Custo anual 2001 1991 2000 Biomassa (ton/dia) 1920 1650 300-1500 (3 plantas) Custo da biomassa, US$ 2/GJ 34/ton seca 2/GJ 34/ton seca 2.7/GJ 46.2/ton seca Preço eletricidade, US$ 0.03/kWh 0.05/kWh 0.05/kWh Produçao de H₂(ton/dia) 91-184 134-188 23-114 Preço do H_2, US$ 8-11/GJ 7-12/GJ 14-21/GJ

(38)

Hidrogênio em função do insumo utilizado

-Custos

Fonte IEA (1999) IEA (2001) McKinley (1990) British Government (1999) Gregoire Padró (1999) Amick (2003) Gás

natural US$6/GJ5- US$ 4,4-7,5/GJ

US$ 7/GJ US$ 5-7/GJ US$ 5,97-7,46/GJ -Carvão US$ 10/GJ US$ 10-12/GJ US$ 15/GJ US$ 10,3/GJ US$ 9,87-19,3/GJ US$ 9-10/GJ Biomassa - _US$ 12-13/GJ US$ 7/GJ - US$ 8,69-17,1/GJ

(39)

-Vetor evolutivo das fontes de

combustíveis

Ev

olu

çã

o d

os

co

mb

us

tív

eis

Gasolina/Diesel Baseado no petróleo SynFuel GTL-Baseado no gás natural CTL-Baseado no carvão mineral SunFuel ®

BTL-Baseado nos recursos renováveis

Hidrogênio

Baseado nos

recursos renováveis

(40)

Cenário de produção de biocombustíveis líquidos de 1ª e 2ª geração

–

Visão de mercado

(41)

Custo de Redução de CO2

(42)

O Processo Carbo-V

®

_{para syngas - Tecnologia}

CHOREN

Baixa temperatura – Gaseificador (NTV) Biomassa Gás de pirólise Charcoal Oxigênio/ Vapor Carbo V ® -Gasificador Uso do Gás Gás bruto (Livre de alcatrão) Condicionamento do Gás Trocador de Calor Purificação Charcoal/Cinza Vapor Syngas Gás Scrubber Escória Vitrificada

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais Atrativos em Tecnologias para Vetores Bioenergéticos de 1ª, 2 a e 3 a Geração

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

e 3

Geração

Por:

Edgardo Olivares Gómez

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

e 3

Geração

Autores:

Edgardo Olivares Gómez

Mónica Andrea Gualdrón Mendoza

Doris del Socorro Obando Coral

A Agroindústria Canavieira no Brasil - Principais

Atrativos em Tecnologias para Vetores

Bioenergéticos de 1ª, 2

e 3

Geração

Objetivo:

Mostrar o potencial técnico que representam algumas das

principais rotas tecnológicas de produção de biocombustíveis de

2

y 3

geração pela plataforma termoquímica, a partir dos

subprodutos da cana de açúcar (bagaço e palha de cana)

visando-se um modelo energético mais avançado para o setor

sucroalcooleiro nacional.

Agenda:

Fontes de Energia

Cenário

Mundial

Fontes de Energia

Cenário Nacional

Fontes de Energia –

Cenário Nacional

Fontes Fósseis Líquidas

Cenário Nacional de consumo de Diesel e Gasolina:

Total: 40 bilhões de litros/ano(diesel):

- Transporte: 32,1 bilhões litros/ano (80,3%);

- Agricultura: 6,51 bilhões litros/ano (16,3%);

- Indústria: 0,84 bilhão litros/ano (2,2%);

- Outros: 0,45 bilhão litros/ano (1,2%)

- Importação de diesel: 6% a 8% do consumo

Total: 17,7 bilhões de litros (gasolina):

Fontes Fósseis



Rotas de aplicações:

1. Fonte de energia

2. Insumos para produtos químicos



Prospecção:

1. Extensão do período de uso

2. Substituição gradativa das fontes fósseis

no setor energético e de transportes (fontes

renováveis de biomassa)

Fontes de Biomassa – Biomassa Tradicional

Lenha e Carvão Vegetal:

Bagaço de Cana:

101,8 M ton (2004) - Uso nas usinas

4,6% crescimento em relação 2003

Excedente de 8,2 M ton – Uso não energético

Consumo de carvão

vegetal:

9,8 M ton (2004),

16,9% crescimento em

relação 2003

Vetores bioenergéticos líquidos de 1

e 2

geração- Principais prioridades e atrativos

no Brasil

1.

ETANOL da cana-de-açúcar e outros insumos

(mandioca e sorgo) - processo convencional;

2.

ETANOL de lignocelulósicos -

processo de

_{e 3}

_Geração

_{e 3}

_Geração

_{e 3}

_Geração

_{y 3}

_{geração pela plataforma termoquímica, a partir dos}

_{, 2}

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_geração

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_{geração e produtos químicos}

_{e 3}

_{geração e produtos}