Estudo dos nexos agroecológicos locais da produção de etanol de cana

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1 Subsídios para a Agenda Brasileira de Bioetanol Oficina de Trabalho: Sustentabilidade do Bioetanol Brasília, fevereiro de 2009 Estudo dos nexos agroecológicos locais da produção de etanol de cana Luiz A. Horta Nogueira UNIFEI, Itajubá-MG

2 Objetivo Apresentar as características atuais e prospectivas da produção de etanol no Brasil, identificando os parâmetros relevantes para a sustentabilidade das condições produtivas e efetuando projeções associadas à adoção de novas tecnologias. Tópicos 1. Introdução 2. Aspectos relacionados ao processamento da cana de açúcar Identificação dos parâmetros relevantes Levantamento dos valores de referência Perspectivas tecnológicas atuais Estimativas dos valores prospectivos em 2015 Estimativas dos valores prospectivos em 2025 Análise e comentários dos cenários estudados 3. Comentários sobre a "renovabilidade" efetiva dos combustíveis 2

3 Introdução A expansão da produção de etanol durante as últimas décadas no Brasil apoiou-se de forma decisiva no desenvolvimento tecnológico, identificando-se três fases nesse período (Macedo, 2007): - entre 1975 e 1985: ênfase em produtividade. - a partir de 1980: ênfase na eficiência de conversão. - a partir de 1985: preocupação com o gerenciamento da produção. Entre os avanços tecnológicos implantados desde 1975 no processo industrial, devem ser destacados: Desenvolvimento de melhores sistemas de preparo da cana (lavadores, picadores e desfibradores) Desenvolvimento do sistema de moagem com 4 rolos, embebição cruzada e alimentação sob pressão, com elevados rendimentos de extração Tecnologia para operação de fermentações abertas de grande porte Aumento na produção de energia elétrica na indústria (auto-suficiência) Obtenção de excedentes de energia elétrica e venda para a concessionária Avanços em automação industrial Avanços no gerenciamento técnico (agrícola e industrial) 3

4 Introdução De 1975 a 2005 a produtividade agroindustrial média cresceu 3,1% a.a.. Os ganhos de produtividade na área agrícola responderam pela maior parte do resultado global alcançado. 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 ganho relativo em t cana/ha ganho relativo em litro/t cana 0, Incrementos relativos de produtividade referidos a 1975 (MAPA, 2009) Há uma margem para a transferência interna de tecnologia, dada pela diferença entre os valores máximos praticados para a eficiência total de conversão e os valores médios de desempenho. Além disso, existe espaço para melhoramentos adicionais. Os valores típico das melhores lavouras, resultam litros por hectare, níveis bem superiores aos valores médios atuais da agroindústria brasileira. 4

5 Identificação dos parâmetros relevantes A agroindústria do etanol tem incorporado aperfeiçoamentos que reduzem os impactos ambientais. Exemplos podem ser citados na demanda de água, disposição de efluentes e emissões de gases. Do ponto de vista da sustentabilidade ambiental, os indicadores mais importantes estão associados essencialmente às perdas de massa e energia que podem ocorrer na transformação da matéria prima, que se compõe basicamente de açúcares, fibras e água. Para tratar dos balanços de massa referentes aos açúcares no caso da agroindústria canavieira no Brasil, o CTC desenvolveu um modelo útil para a separação e avaliação das perdas e do desempenho dos diferentes grupos de processos, com a definição de rendimentos mássicos para cada etapa. 5

6 Identificação dos parâmetros relevantes R c R f R d Tratamento do caldo Fermentação Destilação etanol R l R e cana Lavagem da cana Extração mel Tratamento do caldo Fabricação de açúcar açúcar Modelo dos processos para avaliação do fluxo de açúcares na agroindústria canavieira (CTC, 2007) Levantamento dos valores de referência O programa de benchmarking do CTC, o Programa de Controle Mútuo da Produção de Açúcar e Álcool, que acompanha em base mensal e anual, 39 processos relevantes em 160 usinas da região Centro-Sul. 6

7 Levantamento dos valores de referência Rendimentos mássicos na produção de etanol Parâmetro / /2008 média média média máximo Rendimento na lavagem da cana (%) - 99,3 99,52 99,99 Rendimento na extração (%) 93 96,1 95,83 97,22 Rendimento no tratamento do caldo (%) 98 99,5 99,48 99,96 Rendimento na fermentação (%) 80 91,1 90,09 91,36 Rendimento na destilação (%) - 98,0 99,74 99,95 Perdas Indeterminadas (%) - 3,5 3,36-4,77 Fontes: 1975: Oliverio, 2008, outros anos: CTC, 2006 e CTC, 2008 Esses números sinalizam os avanços alcançados no controle de processo e redução das perdas de matéria prima, e indicam uma saturação nos rendimentos mássicos dos processos industriais de produção de etanol de cana de açúcar. 7

8 Levantamento dos valores de referência Outros indicadores, associados ao consumo de vapor e produção de energia elétrica também apresentam interesse e mostram tendências similares. Nesse caso, o desempenho está determinado pela eficiência combinada na geração de vapor e uso do vapor. Indicadores de consumo de vapor e produção de energia elétrica na agroindústria do etanol (usinas novas) Parâmetro Consumo total de vapor no processo (kg/tonelada de cana) Consumo de vapor na destilação (álcool hidratado) (kg/litro) 3,4 2,0 Consumo de vapor na destilação (álcool anidro) (kg/litro) 4,5 2,7 Pressão e temperatura do vapor vivo (bar/ºc) 21/300 até 120/540 Geração de excedentes de energia elétrica (kwh/tc) - até 146 Fontes: Oliverio, 2008 e Seabra,

9 Perspectivas tecnológicas atuais Além do rendimento mássico e a eficiência energética, são alvo dos desenvolvimentos de processo a redução dos tempos de processo, dos custos de capital, de operação e manutenção, e o incremento da flexibilidade, confiabilidade e da automação. É oportuno comentar o estado da arte na agroindústria canavieira no Brasil e as diversificadas opções tecnológicas atuais. A fonte de informações são os artigos sobre tecnologias industriais na Revista STAB, órgão da Sociedade dos Técnicos Açucareiros e Alcooleiros do Brasil, indicando como a tecnologia industrial tem evoluído, como vem sendo incorporada às unidades industriais e quais as novas tendências em pauta, caracterizando os diversos dilemas (e trilemas) tecnológicos vivenciados nesse setor. 9

10 Perspectivas tecnológicas atuais Recepção e limpeza da cana: Redução dos estoques. Lavagem a seco com jatos de ar, nas mesas alimentadoras ou nas esteiras. Extração: Preparação da cana simplificada com o uso de um desfibrador pesado. Uso de acionamento elétrico substituindo turbinas a vapor. Disputa entre moendas e difusores. Vantagens dos difusores: maior extração, menor custo de manutenção e maior capacidade de exportar energia elétrica excedente, já que consomem menos vapor de alta pressão. Vantagens das moendas: flexibilidade operacional, podendo trabalhar com até 1/3 da capacidade nominal e processar matéria prima de qualidade desigual, com menor consumo de vapor. No contexto brasileiro, efetivamente não existe ainda uma clara unanimidade a favor dessa tecnologia, embora 1/3 das novas usinas adotem difusores. 10

11 Perspectivas tecnológicas atuais Tratamento do caldo: Adoção de sistemas de controle e automação. Uso de decantadores rápidos. Maior emprego de trocadores de placas para aquecimento do caldo. Maior emprego de evaporadores tubulares. Expansão do uso da prensa desaguadora frente ao filtro rotativo a vácuo. Fermentação: Onde ocorreram os incrementos de rendimento mais expressivos. Continua o predomínio dos processos em batelada, associados a sistemas de automação, com custos mais aceitáveis, maior flexibilidade para trabalhar com mostos variáveis e apresentando uma eficiência de fermentação ligeiramente melhor. Importância do conceito sanitário no projeto (processo batelada ou contínuo), operação com temperatura limitada, dupla centrifugação e linhagens otimizadas de leveduras. Uma inovação possivelmente promissora é o emprego de chillers por 11 absorção para resfriar as dornas de fermentação.

12 Perspectivas tecnológicas atuais Destilação: Duas fases: produção do etanol hidratado (por destilação e retificação) e a desidratação, onde existem diversas opções, ainda limitadamente adotadas. Importância da eficiência energética. Tecnologia empregada Consumo de vapor kg/m³ de etanol anidro Consumo de energia elétrica kwh/m³ de etanol anidro Energia primária total MJ/m³ de etanol anidro Destilação com ciclohexano convencional Destilação com ciclohexano otimizada Destilação com ciclohexano a 3 efeitos , , ,82 Absorção com MEG ,40 Pervaporação ,52 Perspectivas para a concentração de vinhaça, buscando racionalizar os custos operacionais para sua distribuição na lavoura e atender eventuais restrições 12 ambientais associadas à captação de água bruta.

13 Estimativas dos valores prospectivos em 2015 O cenário médio tende a se alterar devido à entrada das novas usinas, cujos indicadores deverão ser coerentes com os melhores valores atualmente disponíveis. Não foi considerada a adoção de tecnologias radicais. Rendimentos mássicos na produção de etanol esperados para 2015 Parâmetro média máximo Rendimento na lavagem da cana (%) 99,7 99,99 Rendimento na extração (%) 96,4 97,50 Rendimento no tratamento do caldo (%) 99,6 99,96 Rendimento na fermentação (%) 90,5 91,50 Rendimento na destilação (%) 99,8 99,95 Alterações pequenas face aos valores atualmente observados, mas representando ganhos expressivos considerando os volumes processados. Com um projeto e operação com esses rendimentos, se espera que uma destilaria produza 91 litros de etanol anidro/tc (Pol%cana de 14,5), com um consumo de vapor de processo de cerca de 353 kg/tc e eletricidade de 28 kwh/tc. 13

14 Estimativas dos valores prospectivos em 2025 Nesse horizonte as previsões se tornam mais difíceis, devido à ampliação dos arranjos tecnológicos possíveis (muitos ainda em desenvolvimento) e às incertezas nos preços dos vetores energéticos, evolução das tecnologias energéticas concorrentes, mecanismos de combate às emissões de gases de efeito estufa, entre outros fatores exógenos relevantes. Rendimentos mássicos na produção de etanol esperados para 2025 Parâmetro Rendimento na lavagem da cana (%) 99,99 Rendimento na extração (%) 98,00 Rendimento no tratamento do caldo (%) 99,75 Rendimento na fermentação (%) 92,00 Rendimento na destilação (%) 99,75 Fonte: Rossell, 2008 Essas tecnologias estão basicamente disponíveis hoje em dia, mas com baixa atratividade econômica: rendimento de 92,5 litros de etanol anidro/tc (14,5 de Pol%cana), consumo de vapor de 372 kg/tc e consumo de energia elétrica de 28 kw/tc, produção de vinhoto de 3 litros/litro de etanol e geração de energia elétrica excedente de 160,2 kwh/tc. 14

15 Comentários sobre os cenários estudados Existem outras possibilidades, associadas a biotecnologias avançadas: síntese de diesel, produção de butanol e produção de etanol mediante gaseificação de resíduos e biossíntese. Em todos os casos prováveis, os níveis de rendimento mássico se mantém elevados, com aproveitamento praticamente integral da matéria prima, utilizando recursos energéticos disponíveis no próprio sistema produtivo. Nesse sentido, o processo industrial utiliza uma matéria prima resultante de um processo agronômico de alto desempenho, acumulando energia solar de forma eficiente e permitindo atender todas necessidades de processo produtivo e ainda gerar excedentes significativos. A grande incerteza está na introdução das tecnologias inovadoras, cujo amadurecimento era esperado com maior velocidade, especialmente para a hidrólise/gasificação de resíduos para a produção de biocombustíveis e a gaseificação para geração de energia elétrica. Cabe reconhecer que existem desafios consideráveis na transição da escalas de pesquisa e desenvolvimento para os níveis de produção requeridos pela agroindústria energética. 15

16 B. Comentários sobre a "renovabilidade" efetiva dos combustíveis Definições de sustentabilidade e renovabilidade Sustentabilidade sustentabilidade: possibilidade dos sistemas energéticos se manterem saudáveis, estáveis e produtivos sem deplecionar suas reservas naturais, dentro de um marco de viabilidade econômica e aceitabilidade social. Renovabilidade Primeira Lei da Termodinâmica Segunda Lei da Termodinâmica renovabilidade: característica associada à possibilidade física de reposição, mediante processos naturais e em escalas de tempo humanas, das reservas associadas a uma determinada fonte energética. Bioenergias: em suas diversas formas, os vetores bioenergéticos podem ser considerados renováveis quando o carbono emitido em sua combustão puder ser majoritariamente reabsorvido no processo fotossintético de produção da matéria prima (BERC, 2004). Além do requisito de renovabilidade, a sustentabilidade da bioenergia deve ser avaliada caso a caso, regionalmente 16 ou localmente.