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

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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 de Junho de 2007 Pirassununga, SP

2 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 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 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 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, 2 a e 3 a geração na agroindústria canavieira Agenda: Panorama sobre cenários de energia reflexões.. Modelos de produção de bioenergia em larga escala no setor sucroalcooleiro no Brasil passado e presente.., dados do setor, evolução e consolidação.. Biocombustíveis líquidos de 1 a geração no setor sucroalcooleiro nacional o caso do Etanol Combustível, rota tecnológica, custos, expansão.. Principais atrativos em tecnologias termoquímicas para vetores bioenergéticos líquidos O syngas de materiais lignocelulósicos, características e aplicações.. Introdução ao cenário de produção de combustíveis de 2ª e 3ª geração presente e futuro, aspectos tecnológicos, custos.. Pesquisa, desenvolvimento e demonstração de tecnologias O caso da tecnologia CHOREN para diesel F-T.. Considerações finais..

5 Fontes de Energia Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta de Energia Cenário Mundial Fonte: Queiroz, M. S., 2006 Consumo de energia mundial de 15,7 bilhões tep (2004) Fonte: BEN MME, 2005

6 Fontes de Energia Evolução da Participação das Fontes Primarias na Oferta e Consumo de Energia Cenário Nacional FR=44-46% >30% TOTAL >191 M tep >120 M tep Fonte: BEN MME, 2005

7 Fontes de Energia Cenário Nacional Extensão territorial 8.5 M km 2 ; 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, 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 tco 2 /tep (no mundo 2.36 tco 2 /tep ) 72% Fonte: BEN MME, 2004

8 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): Fonte: BEN MME, 2005

9 Rotas de aplicações: Fontes Fósseis 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: Consumo de carvão vegetal: 9,8 M ton (2004), 16,9% crescimento em relação 2003 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 Fonte: BEN MME, 2005

11 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 Fonte: BEN MME, 2005 Calor Combustíveis líquidos Etanol Cana-de-açúcar Fermentação-Destilação Ethanol Ethanol Metanol Milho, mandioca e sorgo Bagaço e palha de cana, switchgrass. etc. Bagaço e palha de cana, casca de arroz, switchgrass, etc. Sacarificação- Fermentação-Destilação Hidrólise (ácida e enzimática) Gaseificação e síntese posterior Biodiesel Dendê, mamona, soja, gordura animal, etc. Transesterificação Combustíveis F-T Resíduos de Biomassa Combustíveis gasosos Gaseificação e síntese posterior Biogás Resíduos sólidos municipais Fermentação Anaeróbica Hidrogênio Energia elétrica Resíduos de Biomassa Energia elétrica Biomassa (casca de arroz, resíduos de madeira, etc.) Reforma de Metanol, Etanol e rota Syngas Gaseificação, Combustão e Pirólise Energia elétrica Bagaço de cana-de-açúcar, Licor Negro, etc. Combustão (Co-geração) Calor de processo Carvão vegetal Madeira Carbonização 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 Fonte: Elaboração própria, 2005

13 Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1 a geração O álcool combustível na Agroindústria Canavieira Modelo Energético do Setor Sucroalcooleiro no Brasil da década de 80 Geração de Energia para o Processo Velho Conceito Produção de Açúcar Energia (para o Processo de fabricação) Produção de Etanol até 40% da E.E. consumida em processo era importada Bases do modelo: Auto-suficiência em energia térmica... Deficiência de energia elétrica... Dependência Energética

14 Plataforma de Açúcares para vetores biocombustíveis líquidos de 1 a geração O álcool combustível na Agroindústria Canavieira Modelo de Produção de Bio-energia baseado em um Novo Conceito de Geração Exportação de Excedentes de EE Produção de Energia em Larga Escala Novo Conceito Produção de Açúcar Otimização Recuperação econômica Energia e Excedentes de Energia Elétrica Produção de Etanol Excedente de Bagaço de cana Palha de cana Ciclos convencionais/big-gt/cc Syngas para combustíveis líquidos Hidrólise Ciclos convencionais ou Processos pirólise/gaseificação 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)

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. Fonte: MAPA, 2007

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 Fonte: MAPA, 2007

19 Expansão da produção sucroalcooleira nacional Concentração: N-NE: Zona da Mata Centro-Sul: São Paulo Expansão não-induzida : 100% Centro-Sul (60% em SP) Usinas de capacidade média de 1 M litros de álcool/d (12 mil tcana/d) Caldeiras com parâmetros do vapor ( 65 bar) 851 Mha Localização das usinas no Brasil Fonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006) Novas usinas

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 Fonte: CERQUEIRA LEITE, R.C., 2006

21 Tecnologias para vetores bioenergéticos líquidos de 1 a geração (etanol combustível) 1 Clean Cane 1000kg Water: 65-75% Sugars: 12-18% Fibers: 1-2% Water 5000kg Embibition Water 300kg Cane Washing Milling Waste Water 5000kg Bagasse 280kg SO 2 <1kg Lime <1kg Phosphoric Acid < 1kg Water 23kg Vapor 60kg Steam 280kg Cooling Water 900kg Mixed Juice - Sugar 460kg Juice treatment for sugar Treated Juice 458kg Evaporation Syrap for sugar 73kg Filter Cake 27kg Vapor Condensate 60kg Syrap for Ethanol Vapor Condensate 170kg Vapor 163kg Steam Condensate 230kg Waste Water 921kg 3 4 Mixed Juice 1.020kg Tecnologia Convencional 4 Water 27kg Vapor 70kg Mixed Juice - Sugar 540kg Juice treatment for ethanol Treated Juice 520kg Must 561kg Fermentation Filter Cake 47kg Vapor Condensate 70kg Dillution Water 3kg Vapor 33kg Cooling Water Steam 3kg Boiling Cristallization Drying Sugar 55kg Molasse 10kg Condensate 2kg Vapor Condensate 33kg Waste Water 3 Steam 217kg Coolling Water Wine 619kg Distillation 2nd Ethanol 2kg Fusel Oil <1kg Vinasse 540kg/490 l Condensate 180kg Waste Water Regis L.V.Leal, 2005 Hydrous Ethanol 25kg/25 l Anhydrous Ethanol 19kg/24 l

22 Álcool dos açúcares da cana de açúcar Custos de produção: ~R$ 0,89 ~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) Beterraba (UE) 1.9 Cana-de de-açúcar (Brasil) 8.3 Gasolina 0.83 Eficiência Energética : GANHO DE COMPETITIVIDADE Fonte: Macedo, I., 2004; NREL, 2002

24 Plataformas de conversão para vetores bioenergéticos de 1 a, 2 a e 3 a geração Fonte: SILVA-LORA, E., 2004

25 Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2 a e 3 a geração e produtos químicos gasificação limpeza sínteses Produtos Hidrogeno Álcoois Gasolina FT Diesel FT Olefinas Oxoquímicos Amoníaco SNG Biomassa Pirólise Conversão e coleção purificação Hidrogeno Olefinas Aceites Químicos especiais Outras conversações* Separação purificação * Processos de hidrotratamento: Liquefação e outros Hidrogeno Metano Aceites Outros Fonte: DOE, 2004

26 Plataforma termoquímica para lignocelulósicos para combustíveis de 2 a e 3 a geração e produtos químicos- Rota da pirólise e a gaseificação combinada Fonte: DOE, 2004

27 Biocombustíveis de 1ª e 2 a geração Combustíveis sintéticos Biocombustíveis Convencionais Processo GTL BTL CTL Fermentação/ Grupo (Gas to liquid) (Biomass to liquid) (Coal to liquid) Esterificação Produto SynFuel Diesel sintético fóssil SunFuel Diesel sintético renovável Synfuel Diesel sintético fóssil Bioetanol Biogás Biodiesel 2 a geração de biocombustíveis 1 a geração de biocombustíveis Fonte:VOLKSWAGEN AG, Group Research, Powertrain

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 mistura de H2 e CO (H2/CO=2).

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 Fonte: CHOREN, 2006

30 Composição do gás sintético em função do tipo de gaseificador Algumas Tecnologias LFB LFC Leito Fixo Range Range FERCO MTC Purox Shell Combustível Vários Vários Madeira Carvão H 2 5 a 26 7 a 20 14,9 43,3 23,4 24 Combustível 13 a 27 9 a 27 46,5 9,22 39,1 67 CO a 16 14,6 28,1 24,4 4 H 2 O < a 14-5,57-3 CH 4 3 a 11 < 9 17,8 4,73 5,47 0,02 Alcatrão < 0,11 < H 2 S ,08 0,05 1 O 2 < 0, NH ,04 N 2 13 a a Relação H 2 /CO 0,2 0,6 a 1 0,3 4,6 0,6 0,36 Poder Calorífico (MJ/Nm 3 ) 4 a 13 4 a 7, ,7-9,51 Fonte: NREL, 2004

31 Parâmetros de operação e eficiência em projetos demonstrativos de gaseificação de biomassa Empresa Agente de gaseificação Capacidade (MWt) Pressão (MPa) Temp. do leito ( C) PCI gás (MJ/Nm 3 ) Eficiência do gaseificado r (%) Alhstrom/ Bioflow Ar 18 2, , TPS Ar 65 0, ,2 77 Lurgi Ar 16 0, ,8 - IGT/ Renugas Ar + vapor 20 2, ,3-4,8 - BCL Ar + vapor 40 0, , Omnifuel a Ar 23 0, ,99 - a=leito fluidizado convencional Fonte: (NOGUEIRA e SILVA-LORA, 2003)

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 Investimentos em capital e custos de operação

33 Principais considerações tecnológicas para processos BTL Fonte: CHOREN, 2006

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

35 Rotas de aplicações para o Syngas Células combustíveis Fischer-Tropsch Gasolina Diesel Produtos químicos H 2 H 2 O WGS CO + H 2 Metanol (DME) Isobuteno MTBE Zeólita (SNG) Gás Natural Sintético Gás médio poder calorífico Gasolina

36 Combustíveis Fischer-Tropsch baseados na biomassa - Custos Componentes do custo TIJMENSEN (2000) MITRE (1996) NOVEM (2000) Biomassa (ton/dia) Custo da biomassa, US$ 2/GJ 38/ton seca 2.45/GJ 46/ton seca 3/GJ 55/ton seca 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 /galão 8-14/GJ /galão 9-13/GJ /galão

37 Hidrogênio baseado na biomassa - Custos Componentes do custo HAMELINK (2001) LARSON (1992) SPATH (2000) Custo anual Biomassa (ton/dia) (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$ Produçao de H 2 (ton/dia) Preço do H 2, US$ 0.03/kWh 0.05/kWh 0.05/kWh /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$ 5-6/GJ 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 Evolução dos combustíveis SynFuel GTL-Baseado no gás natural CTL-Baseado no carvão mineral Hidrogênio Baseado nos recursos renováveis SunFuel BTL-Baseado nos recursos renováveis Gasolina/Diesel Baseado no petróleo Fonte: CHOREN, 2006

40 Cenário de produção de biocombustíveis líquidos de 1ª e 2ª geração Visão de mercado Fonte: Elaboração própria, 2005

41 Custo de Redução de CO2 Fonte: Biofuels for Transport, IEA 2004

42 O Processo Carbo-V para syngas - Tecnologia CHOREN Baixa temperatura Gaseificador (NTV) Carbo V - Gasificador Condicionamento do Gás Uso do Gás Biomassa Gás de pirólise Oxigênio/ Vapor Trocador de Calor Gás bruto (Livre de alcatrão) Vapor Charcoal Syngas Purificação Escória Vitrificada Charcoal/Cinza Gás Scrubber Fonte: Rudloff, Choren Industries, 2005

43 Tecnologia CHOREN para o Processo Fischer- Tropsch Gaseificação de três fases Tratamento do gás Fischer-Tropsch & Hidrocracking Fonte: CHOREN, 2006

44 Estratégias de direção em geração de bioenergia e biomateriais Conceito de bio-refinaria na Usina Sucroalcooleira Fonte: DOE, 2004

45 Considerações Finais Elevados potenciais e custos competitivos na produção de etanol combustível no Brasil pela plataforma de açúcar e tecnologia convencional; Prioridades e atrativos para o desenvolvimento de novos conceitos em geração de bioenergia no setor sucroalcooleiro nacional; Avanços na gaseificação de biomassa para a produção de syngas; Novos conceitos em produção integrada otimizada Biorefinarias; Minimização dos investimentos de escala

46 OBRIGADO PELA ATENÇÃO.. Prof. Edgardo Olivares Gómez Universidade Federal de Itajubá UNIFEI NEST-Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída egomez@unifei.edu.br