Aproveitamento da Biomassa da Cana para a Produção de Energia. Fernando JG Landgraf Diretor de Inovação do IPT

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1 Aproveitamento da Biomassa da Cana para a Produção de Energia Fernando JG Landgraf Diretor de Inovação do IPT

2 Instituição centenária, vinculada ao Governo do Estado de São Paulo. Provê soluções tecnológicas para empresas e instituições públicas e privadas. Em 2011 teve faturamento anual de R$88 milhões. Agroindústria é parceiro importante.

3 Vemos biomassa como grande oportunidade Em 2010, a safra de cana produziu 120 Mt de bagaço e palha secos Em 2011 faltou bagaço Como estaremos em 2020?

4 As oportunidades Uma usina sucroalcooleira de 4Mt cana tem que lidar com t biomassa seca/ano. Já existem usos bem estabelecidos, mas é importante avaliar alternativas para as novas usinas: Rota bioquímica para produzir etanol a partir do bagaço: a hidrólise enzimática e Rota termoquímica para produzir gás e dele energia elétrica, vapor, biocombustíveis e monômeros. Essas duas rotas concorrem na pesquisa, mas podem vir a ser usadas conjuntamente

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6 DoE Biomass Multiyear Program

7 IPT atua nas duas: Tem projetos de hidrólise enzimática Tem projetos de gaseificação

8 Google Scholar mostra a competição (outubro de 2011) Enzymatic hydrolysis Biomass gasification Desde 2006 Todas páginas Em portugues Brasil tem investido muito mais na hidrólise enzimática do que na gaseificação Não confundir gaseificação com biogas (de biodigestor)

9 Processamentos da biomassa Processos bioquímicos Processos termoquímicos Combustão total Torrefação (240 o C) Pirólise rápida (400 o C) Carvoejamento (500 o C) Gaseificação a 900 o C Leito fixo ou leito fluidizado Gaseificação a 1200 o C (fluxo de arraste) Em cada um desses, dezenas de alternativas

10 O que é a gaseificação de biomassa É queimar o bagaço e a palha com pouco oxigênio, de forma autotérmica de maneira a obter um gás contendo principalmente CO + H2 Esse gás é reativo, Pode ser queimado numa turbina para gerar EE Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em Biocombustíveis: biodiesel, metanol etc Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio

11 Alternativas tecnológicas da gaseificação dependem da alimentação Se for líquido ou pó fino: Num maçarico confinado Se for sólido: Numa cama de areia Fluxo de arraste (modelo Siemens) Leito fluidizado

12 Principais processos de gaseificação Escolha depende de: Qual a escala mais adequada? Quais os produtos desejados? 150 kt/ano 1500 kt/ano

13 A aposta do IPT: a gaseificação por fluxo de arraste

14 Razões da escolha Maior versatilidade de produtos: vapor, energia elétrica, gás, biocombustíveis, monômeros. Gás exige menos limpeza do que o leito fluidizado, por não ter alcatrão. GFA pode processar todo bagaço e palha de uma usina de 4Mtpa: t/ano. Tem potencial de viabilidade econômica em grande escala. Processo é comercial, pelo menos para carvão mineral.

15 Haverá bagaço e palha para isso? Só nos green fields, nas novas usinas. Como o desenvolvimento das tecnologias só maturará em 7-10 anos, falamos de Mas quanto crescerá o setor?

16 Colheita cana (Mt/ano) Crescimento da colheita brasileira de cana colheita de cana (dados Unica) 5% a.a Tomando uma perspectiva longa, taxa de crescimento anual média é 5% ano

17 Potencial para plantas de gaseificação na década de 2020: as novas usinas UNICA BNDES 550 Mt em 10 anos 140 novas usinas 5%a.a. 140 novas usinas é um bom universo a ser atacado pela nova tecnologia

18 Situação atual de Gaseificação de Biomassa Inexiste uma planta comercial de gaseificação de biomassa no mundo Várias plantas pilotos sem continuidade Desafios tecnológicos China: investimentos em plantas de gaseificação de carvão Tecnologias importadas As plantas de gaseificação exigem altos investimentos Economia de escala é relevante Desafios em financiamento de projetos de P&D e de implantação comercial

19 Plantas piloto de GFA de biomassa no mundo Projeto Choren, Alemanha t madeira/ano Projeto Chemrec, Suécia Projeto BioTfuel, França

20 Rota termoquímica do carvão

21 Plantas em construção na China Shenhua Shell 1Mt carvão/ano oil products Shenhua GE 600kt carvão/ano PP+PE Shenhua Siemens 500 kt carvão /ano PP GE

22 Quando podemos começar? Gaseificar carvão é comercial, Biomassa é o desafio:

23 Alguns Desafios Tecnológicos da Gaseificação de Bagaço Desenvolvimento de novos processos de pré-tratamento de bagaço com reduzido consumo de energia Materiais resistentes ao desgaste abrasivo Melhorar a confiabilidade operacional de gaseificador Refratários Sistema de alimentação Controle da remoção de cinzas Desenvolver catalizadores para otimizar a produção de biocombustíveis e outros produtos em grande escala a partir de syngas

24 EVTE de Planta de 323 MWth (400 mil ton de bagaço/palha seca e 8 meses de safra) Etapas Investimento em equipamentos (M US$2011) Pretratamento 30 Gaseificação Limpeza e condicionamento de gás Unidade FT (Fischer Tropsch) TCI (Total Capital Investment): Equipamento + outside battery limits 400 a 700 M US$2011 ASU (Air separation unit) Unidade termoelétrica de geração 50 Fontes: Boerrigter (2006); Faaij (2006); Swanson et al. (2010)

25 Parâmetros Técnicos do EVTE Eficiência energética (diesel FT/bagaço seco) de longo prazo: 55% (Faaij, 2006) Long term capital investment costs do Faaij (2006): 540 Euro/KWth input capacity PCI do bagaço seco: 17 GJ/ton PCI de diesel (FT fuel): 41 GJ/m3 Fator de escala recomendado por Boerrigter (2006)

26 Parâmetros Econômicos do EVTE Vida econômica da planta 10 anos Imposto brasileiro para biocombustível: 20% Custo de distribuição e marketing de combustível: 7% do preço de combustível Duração da safra: 8 meses Custos de operação & manutenção anual / Total Capital Investment = 0,04

27 Planta de Gaseificação (323 MWth) Produção de FT Fuel: VPL e ROI CENÁRIOS DOS PARÂMETROS Custo de bagaço (US$/ton) Preço de combustivel Brasil (US$/litro) Taxa de desconto TCI (M US$2010) 30 0, , , , ,11 VPL (M US$) ROI Cenário otimista % Cenário esperado 41 20% Cenário pessimista %

28 Promessas demais no mercado No mundo, dezenas de empresas oferecem sistemas de torrefação, de pirólise e mesmo de gaseificação. Poucas tem dados técnicos esclarecedores a mostrar, difícil confiar. Rendimento energético! Pouquíssimas tem plantas em operação contínua. Muitas operaram apenas dias ou poucos meses, e estão vendendo tecnologia.

29 Oportunidade: Projeto Biosyngas Construir e operar uma usina piloto de gaseificação de biomassa por fluxo de arraste, focada em bagaço de cana de açúcar, de forma a adquirir o conhecimento necessário para projetar uma usina industrial com Capex de US360M, para t/ano

30 Tecnologia escolhida de Gaseificação Gaseificação por fluxo de arraste Capacidade de 500kg de biomassa / hora Gaseificador flex : pó ou óleo como insumo Com oxigênio Recuperação de calor Tmax = 1300 C Especificações do gás de síntese: 80% de CO+H2 < 0,5% CH4 <1g alcatrão / Nm 3 < 0,5% N2

31 Gargalos tecnológicos mais relevantes 1. Sistemas de secagem da biomassa 2. Sistemas de pré-tratamento de biomassa Torrefação Pirólise rápida 3. Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação. 4. Sistema de alimentação do combustível; 5. Revestimento da câmara de gaseificação; 6. Utilização ou não de recuperador de calor; 7. Sistema de remoção de cinzas; 8. Sistemas de monitoramento, controle e segurança. 9. Sistemas de limpeza de gases 10. Sustentabilidade ambiental

32 Ponto crítico: as cinzas da biomassa Como remover continuamente as cinzas de dentro do gaseificador? Qual o teor de cinzas da biomassa? Quanto é cinza botânica e quanto é terra? Que variáveis afetam cinza botânica? E a terra? Projeto temático sendo estruturado pela Esalq participam Poli-USP, Unicamp, IPT. Há vagas...

33 Apoio Parceiros Parceiros Financiamento

34 Secagem Torrefação Fluxograma do processo SHIFT Limpeza Syngas Pirólise Gaseificação

35 Balanço de massa Bagaço úmido (50 %) 1,1-1,3 t/h Oxigênio 0,2 0,3 t/h BME CO + H 2 0,25-0,35 t/h Água 0,4-0,7 t/h CO 2 (Syngas) [H 2 /CO 2:1] 0,35-0,45 t/h ~100 kw* Água em recirculação no sistema Make-up de água Consumo de GLP 30 m³/h 2 m³/h 45 kg /t bagaço (dados torrefação) * Não contabilizados energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise

36 Local da Planta Piloto: Piracicaba/Estado de São Paulo Cosan Dedini Esalq CTC

37 Licença de Instalação - Emitida Resultado da Consulta Nº da SD - Data da SD - 24/11/ Razão Social - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO S.A. IPT Logradouro - RODOVIA LAÉRCIO CORTE - SP 147 Nº Complemento - KM METROS Bairro - VILA AREIÃO Município - PIRACICABA CNPJ- Nº do Processo - 21/01456/11 Objeto da Solicitação -LICENÇA PRÉVIA E DE INSTALAÇÃO Nº Documento Situação - Emitida Desde 07/02/2012

38 Cronograma proposto Gerenciamento técnico do projeto Definição de termos de PI Definição de regras de governança Assinatura de contratos Projeto Conceitual Projeto básico Projeto executivo da Planta Piloto Implantação do sistema de pré-tratamento Implantação do sistema de limpeza de gases Utilidades Central de Instrumentação e Controle Obras civis da planta piloto Construção do gaseificador Acoplamento dos Equipamentos Testes a frio Testes a quente Testes de longa duração (3.000 h não contínuas) Estudos viabilidade econômica PROJETO BIOSYNGAS - CRONOGRAMA FÍSICO

39 Orçamento ITENS VALOR (R$ Milhões) Equipamentos 38.2 Instalações 3.6 Despesas com Viagens 1.2 Materiais de consumo 3.3 Recursos humanos (IPT, CTC, companies) 11.4 Serviços de terceiros 20.4 Custos administrativos 2.9 Contingências 5.7 TOTAL 86.8

40 Quer saber mais? Save the date Coloquem na sua agenda: 17/09/2012 Workshop sobre Gaseificação de Biomassa Na Fapesp, em S. Paulo Organizado pelo IPT Parte das comemorações de 50 anos da Fapesp.

41 Evento: C&T de Gaseificação Objetivos: Definir temas de P&D em gaseificação de bagaço Promover P&D em gaseificação na comunidade de C&T no ESP Público alvo: academia e indústria de equipamentos Palestrantes convidados: Acadêmicos nacionais e do exterior (Europa, EUA e China) Pesquisadores industriais (fabricantes de gaseificadores de biomassa e carvão) Gestores de plantas pilotos do exterior

42 Palestrantes Palestra Palestrante e Instituição Relevância da rota termoquímica no BIOEN Glaucia Mendes Souza, Fapesp Programa Biosyngas do IPT Fernando Landgraf, IPT Perspectivas de sustentabilidade de etanol no Brasil Luiz A. Horta Nogueira, Universidade Federal de Itajubá IKFT s experience in the development of pyrolysis technologies Development of low temperature thermal conversion in the sugar industry Development of an opposed multi-burner gasification technology ETC s experience in the development of biomass gasification process TPS s experience in the development and operation of biomass gasification plant TU Bergakademie s experience in the development of pilot gasification plant Uhde s experience in the design and operation of pilot gasification plant Eckhard Dinjus, Karlsruhe Institute of Technology Phil Hobson, Queensland Univ. of Technology Zhijie Zhou, East China University of Science and Technology Rikard Gebart, Energy Technology Centre (ETC) Lars Walheim, Waldheim Consulting Bernd Meyer, TU Bergakademie Freiberg Norbert Ullrich, ThyssenKrupp Uhde GmbH

43 Contatos Dr. Fernando Landgraf Diretor de inovação - IPT landgraf@ipt.br +55 (11) Dr. Gerhard Ett Gerente de Gaseificação - IPT gett@ipt.br +55 (11)