MINICURSO SOBRE BIODIESEL. Prof. Murilo D.M. Innocentini UNAERP - Fone: ,

Transcrição

1 BIODIESEL: PASSADO, PRESENTE E FUTURO Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini Curso de Engenharia Química Universidade de Ribeirão Preto - UNAERP

2 MINICURSO SOBRE BIODIESEL

3 Não-Renov Renovávelvel Carvão mineral Conversão de energia útil para o ser humano FONTE DE ENERGIA Renovável vel Solar direta: célula fotovoltaica Petróleo: Gasolina Diesel GLP Coque Gás s Natural Nuclear: Fissão Fusão DISPOSITIVO CONVERSOR Solar indireta: Eólica Química (biomassa fotossíntese) Térmica Gravitacional (hidrelétrica trica-maré) CALOR Aquecimento Conversão Química TRABALHO Mecânico Elétrico Químico Cinético

4 Evolução mundial do fornecimento de energia Fonte: World Energy Council A busca por fontes não apenas renováveis, veis, mas também m mais eficientes!!!

5 Reservas mundiais de Energia Reservas mundiais de gás natural Reservas mundiais de petróleo Reservas mundiais de urânio Reservas mundiais de carvão Radiação solar anual absorvida pela Terra Consumo mundial de energia em 2005 Elaborado com dados das seguintes fontes: BP Statistical Review 2005 Energia Solar -Wolfgang Palz Agência Internacional de Energia Atômica (*) estimativa

6 Mapa das fontes de energia renovável vel no mundo Energia eólicae Biomassa Hidroeletricidade Energia Solar 1 tonne of oil equivalent (toe) = 42 GJ (net calorific value)

7 A Matriz Energética Brasileira Fonte:

8 A Matriz Elétrica Brasileira Fonte:

9 Conversão energética por combustão CONVERSÃO DE ENERGIA DISPONÍVEL NA NATUREZA: (NUCLEAR,( QUÍMICA MICA,, SOLAR, TÉRMICA, T ELÉTRICA, ETC.) EM ENERGIA ÚTIL PARA O SER HUMANO: (TRABALHO( MECÂNICO E CALOR) COMBUSTÍVEL + COMBURENTE DISPOSITIVO DE COMBUSTÃO MOVIMENTO COERENTE (TRABALHO) MOVIMENTO INCOERENTE (CALOR)

10 Conversão energética por combustão MOTOR DE COMBUSTÃO COMBUSTÍVEL ENERGÉTICO, ABUNDANTE E RENOVÁVEL VEL PRODUTOS DE COMBUSTÃO POUCO POLUENTES ALTA EFICIÊNCIA: MUITO TRABALHO POUCO CALOR!

11 Motores de combustão COMBUSTÃO EXTERNA COMBUSTÃO INTERNA O combustível é queimado fora do mecanismo que produz movimento O combustível é queimado dentro do mecanismo que produz movimento Motor a vapor Motor de ignição por centelha Motor de ignição por compressão

12 Breve histórico dos motores de combustão interna # J.J.E. Lenoir ( ) 1895) desenvolveu em 1860 o primeiro motor a pistão que foi comercializado. # Um motor melhor foi apresentado pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto na Feira mundial em Paris, em 1867.

13 Breve histórico dos motores de combustão # 1876 Nikolaus Otto desenvolve o motor de quatro tempos, reduzindo 1/3 o peso do motor e 1/16 o curso do pistão, aumentando a eficiência térmica. As características básicas b deste motor são as mesmas dos motores de hoje. # Em 1886, Karl Benz desenvolveu o motor moderno de dois tempos de combustão interna. # Em 1892, Rudolf Diesel apresentou patente na Alemanha, Working Method and Design for Combustion Engines...a new efficient, thermal engine sendo aprovada no ano seguinte.

14 Breve histórico dos motores de combustão # Em 1898, Diesel demonstrou sua invenção na Feira Mundial em Paris, usando óleo de amendoim como combustível! Sua intenção era oferecer um meio de pequenas indústrias, fazendeiros e pessoas comuns competirem com o monopólio de grandes indústrias, que controlavam toda a produção de energia naquela época! Sua idéia ia era o uso de fontes naturais de combustível, como biomassa. # Em 1913, Diesel desapareceu do navio em uma viagem à Inglaterra. Não se sabe se foi suicídio, acidente ou homicídio, uma vez que ele se opunha fortemente ao uso de seus motores com fins bélicos b pela Alemanha. # Como resultado do trabalho e visão de Diesel, motores de ignição por compressão foram alimentados com óleos combustíveis até 1920!!!! # O petróleo foi descoberto na Pensilvânia em 1859, tendo sido utilizado principalmente para produção de querosene de iluminação. Porém, jáj na década d de 1920, os fabricantes do motor diesel fizeram alterações de modo a utilizar os resíduos baratos e de baixa viscosidade do petróleo ao invés s de biocombustíveis. A indústria do petróleo estava crescendo e se estabelecendo no mercado!

15 Breve histórico dos motores de combustão # Mercedez-Benz começou ou a produzir motores diesel na década d de # Motores diesel extensivamente usados hoje em dia em submarinos,, navios, locomotivas, caminhões e plantas de geração elétrica são versões refinadas do original desenvolvido por Diesel em 1893!! # Rudolf Diesel não foi o único a ter a visão do uso de biocombustíveis nos motores de combustão. Henry Ford desenvolveu em 1908 seus primeiros ros modelos do Ford-T T para serem movidos a etanol. # Década D de 1970 Crise do Petróleo. Busca de fontes de combustíveis renováveis veis para os motores do ciclo Otto e do ciclo Diesel. # Década D de O etanol passa a ser substituto viável vel para a gasolina. # Década D de Retomada de pesquisas intensivas e utilização de biocombustíveis nos motores diesel. O biodiesel passa a ser substituto viável vel para o diesel do petróleo.

16 Motores de combustão interna Os motores de combustão interna, segundo o tipo de acionamento de ignição que utilizam, são classificados em motores do ciclo Otto ciclo Otto e motores do ciclo Diesel ciclo Diesel, nomes devidos aos seus descobridores. Motores do ciclo Otto São aqueles que aspiram a mistura ar-combustível preparada antes de ser comprimida no interior dos cilindros. A combustão da mistura é provocada por centelha produzida numa vela de ignição. Éo caso de todos os motores a gasolina, álcool, gás, g ou metanol, que são utilizados, em geral, nos automóveis.

17 Ciclo Otto - motor à gasolina A. Indução Alimentação de mistura ar + combustível. B. Compressão C. Potência D. Escape Ignição por centelha da mistura.

18 Ciclo Otto - motor à gasolina 2 tempos 4 tempos

19 Motores de combustão interna Motores do ciclo Diesel São aqueles que aspiram ar, que após ser comprimido no interior dos cilindros, recebe o combustível sob pressão superior àquela em que o ar se encontra. A combustão ocorre por auto-igni ignição quando o combustível entra em contato com o ar aquecido pela pressão elevada. O combustível que éinjetado ao final da compressão do ar, na maioria dos motores do ciclo Diesel éo óleo diesel comercial, porém outros combustíveis, tais como nafta, óleos minerais mais pesados e óleos vegetais podem ser utilizados em motores construídos especificamente para a utilização destes combustíveis.

20 Ciclo Diesel A. Indução B. Compressão C. Potência D. Escape Alimentação apenas de ar. Compressão do ar e injeção do combustível. A temperatura do ar comprimido eleva-se, chegando a ultrapassar os 700ºC, causando a ignição do combustível injetado.

21 O Motor de Rudolf Diesel

22 Características dos motores segundo sua aplicação Tipo de motor Utilização Potência kw IC ou Diesel Tempos Veículos de Motocicletas Scooters IC 2,4 Ar Resfria mento passeio Carros pequenos IC 4 Ar,água Veículos fora de estrada Carros grandes IC 4 Ar,água Comerciais leves IC, D 4 Ar,água Comerciais pesados D 4 água Veículos leves (aeroportos, fazendas) 1,5-15 IC 2,4 Ar,água agricultura IC, D 2,4 Ar,água Movimento de terra D 2,4 água Militares D 2,4 água Estrada de ferro locomotivas D 2,4 água Marinhos Fora de borda 0,4-75 IC 2 água Lanchas a motor IC,D 4 água Barcos a motor D 2,4 água Navios D 2,4 água Aeronaves Aviões IC 4 ar Helicópteros IC 4 ar Domésticos Cortador de grama 0,7-3 IC 2,4 ar Estacionários Potência elétrica 35-22,000 D 2,4 água IC: ignição por centelha, D: Diesel

23 Demanda de combustíveis para transporte no mundo Tipo de combustível Modo de transporte Fonte:

24 Matriz de combustíveis veiculares no Brasil 2005 Fonte:

25 O PETRÓLEO éconstituído por centenas de substâncias químicas, do metano ao asfalto. Sua composição é bastante variada: Hidrocarbonetos: 83 a 87% em carbono e 11 a 15% de hidrogênio Nitrogênio: 0 a 0,5% Enxofre: 0 a 6% Oxigênio: 0 a 3,5% Origem do óleo diesel Compostos são normalmente divididos em: Parafinas: hidrocarbonetos lineares de cadeia aberta C n H 2n+2. Isoparafinas: hidrocarbonetos ramificados de cadeia aberta C n H 2n+2 Olefinas: hidrocarbonetos não saturados, de cadeia aberta, C n H 2n Naftenos: hidrocarbonetos de cadeia cíclica e saturada, C n H 2n Aromáticos: hidrocarbonetos com anéis benzênicos, de cadeia C n H 2n-6

26 Fracionamento do petróleo GLP Produtos químicos Gasolina PETRÓLEO BRUTO Combustível para jatos, iluminação e aquecimento Óleo Diesel Óleo lubrificante, graxas Óleo combustí vel para navios Piche para asfalto

27 Óleo Diesel do Petróleo Molécula de óleo diesel consiste de hidrocarboneto do tipo alcano linear com 16 átomos de carbono e 34 átomos de hidrogênio ÓLEO DIESEL = HEXADECANO = CETANO 1C 16 H ,5O 2 Reação de combustão: 16CO H 2 O + energia (~9,5 MJ/mol)

28 Características dos combustíveis Número de Cetano - Permite avaliar a característica antidetonante dos combustíveis para Motores Diesel. O Cetano é um hidrocarboneto parafínico (alcano tipo C 16 H 34 ) que recebe arbitrariamente o índice 100. É misturado ao alfa-metil-naftaleno, de fraca inflamabilidade, ao qual se atribui índice zero. Das diversas proporções das misturas obtém-se uma escala de número de Cetano, de 0 a 100. O índice de octano ou octanagem dos combustíveis está para motores do ciclo Otto, da mesma forma que o índice de cetano ou cetanagem está para os motores do ciclo Diesel. Portanto quanto maior for o índice de cetano de um combustível, melhor será a combustão num motor diesel.

29 Características dos combustíveis Petróleo Gás Natural Seco (2) Lenha Catada Lenha Comercial Bagaço de Cana (4) Óleo Diesel Óleo Combustível Gasolina de Aviação Nafta Querosene de Aviação Coque de Carvão Mineral Carvão Vegetal Álcool Etílico Anidro Álcool Etílico Hidratado Coque de Petróleo Fontes Carvão Metalúrgico Nacional Carvão Metalúrgico Importado Gasolina Automotiva Gás Liquefeito de Petróleo Poder calorífico inferior, PCI (kcal/kg)

30 Fracionamento do petróleo LEMBRETE o Petróleo não serve apenas para produzir combustíveis!!!!

31 Por quê substituir o óleo diesel mineral RAZÃO ECONÔMICA: FONTE NÃO-RENOVÁVEL (VEM DO PETRÓLEO) RAZÃO AMBIENTAL: EMISSÕES DE GASES DO EFEITO ESTUFA (EMITE CARBONO NA ATMOSFERA SEM COMPENSAÇÃO, AO CONTRÁRIO DO ETANOL OU DOS BIOCOMBUSTÍVEIS)

32 O Futuro... DIESEL DO PETRÓLEO ATUALMENTE TRABALHO + CALOR + GASES MOTOR CICLO DIESEL FUTURO (PRÓXIMO) COMBUSTÍVEL RENOVÁVEL VEL QUE SOFRA INGIÇÃO POR COMPRESSÃO TRABALHO + CALOR + GASES MOTOR CICLO DIESEL

33 Alternativas ao óleo diesel mineral ÓLEOS VEGETAIS IN NATURA: Vantagens: - Fonte abundante e diversificada - Processamento jáj dominado - Não contém m enxofre na composição, minimizando emissão de SO 2 Desvantagens: - Alta viscosidade, dificultando alimentação no motor - Libera resíduos no motor, prejudicando vida útil - Pode liberar componentes tóxicos, t se combustão não for completa

34 Estrutura química de óleos e gorduras Formados essencialmente por triglicerídeos Ácido olêico (3) Glicerol Molécula de óleo, formada por 3 cadeias de ácidos graxos ligadas a uma molécula de glicerol

35 Comparação diesel x óleos vegetais in natura

36 Alternativas ao óleo diesel mineral BIODIESEL Biodiesel é a denominação genérica para os ésteres de ácidos graxos resultantes da reação entre um TRIGLICERÍDEO e um ÁLCOOL. A esta reação química dá-se d o nome de TRANSESTERIFICAÇÃO, ou seja, a transformação de um éter em outro Os triglicerídeos são os principais componentes óleos vegetais e nas gorduras animais.. O álcool pode ser o metanol ou etanol. Do ponto de vista de uso como combustível, a principal diferença a do biodiesel para um óleo vegetal é a sua menor viscosidade,, facilitando a alimentação no motor e gerando menor quantidade de resíduos que danificam o motor.

37 Transesterificação A TRANSESTERIFICAÇÃO é a quebra da molécula de triglicerídeo em 3 moléculas menores (ésteres( de ácidos graxos) através s da reação com um álcool linear de baixo peso molecular. CATALISADOR!!!!! TRIGLICERÍDEO GLICEROL ÉSTERES METÍLICOS METANOL

38 Efeito da transesterificação de óleos vegetais

39 Comparação diesel x óleos vegetais transesterificados (biodiesel)

40 Vantagens do biodiesel - Fonte abundante e diversificada (a mesma dos óleos in natura). - Ambientalmente benéfico. Não é tóxico. Biodegradável. - Menos poluente. Não contém m enxofre na composição. - Reduz aquecimento global (ciclo fechado de carbono). - Poder calorífico, cetanagem e viscosidade similares aos do diesel mineral. - Pode ser usado no motor diesel sem qualquer alteração. - Pode ser misturado ao óleo diesel mineral em qualquer proporção (B2( B2, B5,, B20). - Permite valorizar os sub-produtos de atividades agro-industriais, com fixação do homem no campo. - Culturas regionais. Adapta-se à cultura vegetal dominante na região.

41 Misturas Diesel x Biodiesel

42 Benefícios ambientais do biodiesel

43 FUTURO Desafios... Diferentes tipos de matérias rias-primas oleaginosas: -Propriedades físicas e químicas distintas -Necessidade de pré-tratamento antes da transesterificação Ajuste do processo para diferentes tipos de reagentes alcoólicos: licos: -Metanol -Etanol anidro -Etanol hidratado Otimização do processo catalítico: tico: -Catálise alcalina homogênea -Catálise ácida homogênea -Catálise enzimática -Catálise heterogênea (ácida e alcalina) Tecnologia para produção em pequena escala de produção -Facilidade de operação (baixa complexidade tecnológica) -Instrumentação -Minimização de resíduos (água de lavagem, glicerina, solventes, co-solventes).

44 FIM