ESTUDO PRELIMINAR DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE VARIEDADES DE EUCALIPTO CULTIVADAS NO RIO GRANDE DO SUL

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1 ESTUDO PRELIMINAR DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE VARIEDADES DE EUCALIPTO CULTIVADAS NO RIO GRANDE DO SUL Marcilio Toledo*; Fernando Santos; Nei Marçal; Marcos Espinoza; Paulo Eichler; Jonatan Vuelma; Davi Friedrich Universidade Estadual do Rio Grande do Sul Centro de Estudos em Biorrefinaria Há décadas o mundo vem sofrendo diversas modificações, dentre elas o crescimento das cidades e a modernização das indústrias e da agricultura. Um dos motivos para este desenvolvimento foi o uso de combustíveis como petróleo e seus derivados, entretanto estas são fontes finitas e responsáveis pela emissão de gases prejudiciais para a sociedade e para o planeta. O conceito de sustentabilidade, em ascensão nas últimas décadas, está ligado à substituição de fontes esgotáveis por fontes renováveis de energia. Face às perspectivas de esgotamento das fontes energéticas não renováveis, ressalta-se a necessidade de repensar o processo de desenvolvimento econômico de forma a não comprometer o atendimento à demanda das gerações futuras. Nesse contexto, o uso da biomassa como insumo para a geração de energia reveste-se de notável importância na busca de alternativas energéticas, tendo em vista que se trata de uma fonte renovável e descentralizada, que promove a geração de empregos no campo e renda adicional. A biomassa florestal possui características que permitem a sua utilização como fonte alternativa de energia, seja pela queima direta da madeira, seja pela sua transformação em combustíveis, tais como o carvão vegetal ou o gás de madeira, seja pelo aproveitamento de resíduos da exploração e do processamento industrial. No Brasil, o uso da biomassa florestal para geração de energia pode reduzir a dependência energética externa e dar maior segurança ao sistema energético, algo que muitos dos combustíveis hoje empregados não proporcionam. Além do mais, devido ao seu alto potencial renovável e produtivo, é possível compor uma matriz energética ambientalmente mais saudável e socialmente mais justa, pois a madeira é uma das fontes de energia que possibilitam uma das maiores taxas de geração de emprego por recurso monetário investido. Condições edafoclimáticas e fundiárias, aliadas à política histórica de investimento em pesquisa e desenvolvimento, à verticalização do setor e à qualidade de mão de obra empregada na atividade, proporcionam a maior produtividade por hectare e, consequentemente, o menor ciclo de colheita para os plantios florestais estabelecidos no Brasil. Comparado com outros países, o Brasil ocupa a primeira posição na produtividade florestal/ha ano. De acordo com Couto e Muller (2013) em função de sua grande plasticidade ambiental, altos índices de produtividade e características energéticas, o gênero Eucalyptus é o mais utilizado para a 1

2 implantação de florestas para fins energéticos. As principais espécies utilizadas são: Eucalyptus grandis, E. urophylla, E. urograndis (híbrido), E. camaldulensis, E. cloeziana, E. globulus, E. maculata, E. paniculata, E. pellita, E. pilularis, E. saligna e E. tereticornis. Outra espécie importante, bastante difundida na região Sul do país para produção de carvão vegetal, celulose e tanino é a acácia negra (Acacia mearnsii). A pesquisa científica tem alcançado resultados significativos em experimentos com acácia, indicando que se trata de uma espécie bastante promissora para produção de biomassa energética. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi realizar um estudo preliminar do potencial energético de três espécies de Eucalyptus produzidos no estado do Rio Grande do Sul para fins energéticos. Densidade Básica da Madeira A densidade básica da madeira é um parâmetro referencial para a seleção de espécies florestais indicadas para produção de energia. É o resultado de uma complexa combinação dos seus constituintes anatômicos. A Tabela 1 mostra os valores de densidade básica da madeira (cavacos) de três espécies de eucalipto. Observa-se que dentre as três espécies avaliadas, a espécie E. urophylla apresentou maior densidade básica (559 kg/m 3 ). Este resultado é próximo aos encontrados por Vital et al., (2013) E. urophylla (540 kg/m 3 ), E. pilularis (540 kg/m 3 ). Já as espécies E. saligna e E. dunnii apresentaram (495 kg/m 3 ) e (520 kg/m 3 ), respectivamente. Valores semelhantes de densidade básica de diferentes espécies florestais foram constatados na literatura, tais como: Brand, (2010) Hevea guianensis Aubl. (510 kg/m 3 ), Virola calophylla (Spruce) Warb. (500 kg/m 3 ), Vochysia thyroidea Pohl (490 kg/m 3 ); Alzate, (2004) E. grandis (490 kg/m 3 ), E. saligna (480 kg/m 3 ) e E. grandis x urophylla (490 kg/m 3 ). Tabela 1. Densidade básica de três espécies de eucaliptos cultivados no Rio Grande do Sul. Espécies Densidade Básica (kg/m 3 ) E. urophylla 559 E. saligna 495 E. dunnii 520 A densidade básica fornece várias informações sobre as características da madeira, porque afeta as demais propriedades, sendo um parâmetro muito utilizado para qualificar a madeira, nos diversos segmentos da atividade industrial. Madeiras mais leve possuem aproximadamente o mesmo poder calorífico por unidade de massa, mas menor poder calorífico por unidade de volume. As densidades das madeiras variam entre espécies e dentro da mesma espécie. Variações dentro da mesma espécie, que podem ser de acordo com idade da árvore, genótipo, índice de sítio, clima, localização geográfica, tratos culturais, entre outros, são decorrentes de alterações nos fatores citados inicialmente. Os efeitos, em geral, são interativos e difíceis de ser avaliados isoladamente. A densidade da matéria-prima pode interferir em várias etapas da produção de carvão. A densidade da 2

3 madeira afeta a capacidade de produção das praças de carbonização, porque, para determinado volume de forno, a utilização de madeira mais densa resulta em maior produção em massa. Além disso, madeira mais densa produz carvão com densidade mais elevada, com vantagens para alguns de seus usos. Na utilização da madeira na forma de lenha, por meio da queima direta, maior densidade resulta em combustível com energia mais concentrada, devido à maior massa de combustível contida na mesma unidade de volume. Análise Elementar A análise da composição química elementar da biomassa tem por finalidade obter o porcentual em massa dos principais elementos que a constituem, geralmente referindo à matéria seca, ou seja, sem considerar a presença de água. São geralmente apresentados valores para o Carbono (C), Hidrogênio (H), Nitrogênio (N), Enxofre (S) e Oxigênio (O). Estes elementos é que formam as substâncias orgânicas da biomassa como as substancias poliméricas, carboidratos e extrativos, que formam a parede celular ou que estão livres no lume das células. É a característica técnica mais importante do combustível e constitui a base para análise dos processos de combustão, tais como: cálculo dos volumes de ar, gases e entalpia. A Tabela 2 apresenta os resultados da análise elementar das três espécies de eucalipto cultivados no Rio Grande do Sul. Pode-se observar que o teor médio de carbono encontrado nos clones de eucalipto (54,16%) é ligeiramente superior aos da literatura, tais como: (50,36%) Vital et al., (2013); (49,29%) Brand (2010); e (49,00%) Cortez et al., (2008). É importante ressaltar que quanto maior o teor de carbono na biomassa, maior será o seu poder calorifico. O aumento em 1% na concentração de carbono eleva em cerca de 0,39 MJ/kg o poder calorífico. Além disso, o poder calorífico da biomassa depende da quantidade de oxigênio necessária para a sua combustão completa, sendo liberados 14,022 J por grama de oxigênio consumido. Tabela 2: Composição química elementar de três espécies de eucaliptos cultivados no Rio Grande do Sul. Espécies Elementar (%) Carbono Hidrogênio Nitrogênio Enxofre Oxigênio E. urophylla 53,76 5,65 0,00 0,00 40,59 E. saligna 54,47 5,47 0,25 0,02 39,80 E. dunnii 54,24 5,68 0,00 0,00 40,08 Média 54,16 5,60 0,06 0,007 40,16 Os valores médios de hidrogênio (5,60%) são comparáveis aos encontrados para o Pinus sp. (6,06%); casca de arroz (4,30%); bagaço de cana (5,35%); capim elefante (5,55%) e casca de coco (5,23%) (BRAND, 2010). Assim como o carbono, o hidrogênio é um elemento que produz calor, ou seja, quanto maior o seu teor, maior será o poder calorifico da biomassa. Comparando-se as 3

4 substâncias que constituem a parede celular das plantas é importante salientar que a lignina é rica em carbono e hidrogênio, que são elementos que produz calor, e, portanto têm maior poder calorífico que os carboidratos. Os valores encontrados de oxigênio (40,16%) são superiores aos encontrados para casca de arroz (35,86%) e casca de coco (33,19%) (CORTEZ et al., 2008); cama de aviário (31,82%) (BRAND, 2010); carvão mineral (9,60%), carvão vegetal (17,0%) (CARNEIRO et al., 2013); casca de dendê (37,70%), castanha de caju (32,05%), e lodo de esgoto (24,30%) (LORA et al., 2012). E, inferiores aos encontrados por Vital et al., (2013), Pinus sp. (41,7%); Lora et al., (2012), bagaço de cana (44,10%), capim elefante (45,91%), casca de café (47,10) e palha de arroz (48,80%). Além da composição química elementar dos combustíveis, são também propriedades que afetam o processo de combustão: poder calorífico, umidade, densidade, teor de voláteis e cinzas. Análise Imediata A composição química imediata se refere ao conteúdo percentual de umidade, cinzas, voláteis e carbono fixo baseado na massa do combustível. Com exceção do carvão vegetal ou do mineral, todos os combustíveis (inclusive a madeira), quando aquecidos a altas temperaturas, antes de se queimarem, sofrem evaporação da maior parte de seus componentes químicos (materiais voláteis), e só após essa evaporação esses constituintes na forma gasosa misturam-se com o oxigênio do ar para as reações de combustão. O teor de umidade ou conteúdo de umidade é a quantidade de água ou umidade presente em uma biomassa. É uma variável muito importante para o aproveitamento energético da biomassa, pois é o que mais influência no poder calorifico, inclusive mais que a espécie, visto que a quantidade de água tem relação com o poder calorífico do combustível de modo inversamente proporcional, portanto quanto maior o teor de umidade, menor será a quantidade de energia útil para o sistema de geração de energia. Como podem ser verificadas na Tabela 3 as três espécies de eucalipto (cavacos) apresentaram em média (5,08%) de umidade. Observa-se também que a espécies E. urophylla (5,96%) apresentou umidade superior às demais espécies de eucalipto. A umidade dificulta a queima do combustível, pois além da redução do poder calorífico, ocorre aumento do consumo do combustível, do volume de produtos de combustão, das perdas de calor com gases de escape, da potência necessária do exaustor e o custo de transporte. Além disso, o grande teor de umidade provoca aceleração de corrosão da parte final do gerador de vapor e o acúmulo de sujeira nas superfícies de aquecimento. Tabela 3: Composição química Imediata dos clones de Eucalipto. Espécie Imediata (%) 4

5 Umidade Cinzas Voláteis Carbono Fixo E. urophylla 5,96 0,10 87,80 6,14 E. saligna 4,67 0,15 87,09 8,09 E. dunnii 4,62 0,30 85,77 9,31 Média 5,08 0,55 86,89 7,85 O teor de cinzas varia muito em função da espécie, idade, além de ser influenciado pelo local de crescimento. Pode-se observar que a concentração do teor de médio das cinzas encontrada nas espécies de eucalipto (0,55%) é comparável às publicadas por Barrichello (1976) que encontrou teor de cinzas (0,3%) para E. grandis e (0,4%) para E. urophylla. Brito e Barrichello (1982) encontraram teor de cinzas de (0,41%) para E. saligna. Júnior (2014) encontrou um teor de cinzas de (0,63%) para E. urograndis. Teixeira e Lora (2003) encontraram um teor de cinzas de (0,29%) para madeira de coníferas (Gimnospermas). O teor de cinzas está relacionado diretamente com o poder calorifico que com o aumento das cinzas é afetado negativamente, para cada 1% no teor de cinzas, há uma redução de cerca de 0,2 MJ/kg, porque a cinza não contribuí para a geração de calor, embora alguns componentes da cinza possam atuar como catalizadores da decomposição térmica. Altos teores de cinzas diminuem a eficiência do reator, já que necessita de um maior consumo de oxigênio. Segundo o mesmo autor, da mesma maneira que a umidade, o teor de cinzas interfere no poder calorífico e causa perda de energia. O teor de cinzas de uma biomassa afeta tanto a manipulação e os custos de processamento da conversão global de energia da biomassa. A energia disponível do combustível é reduzida em proporção à magnitude do teor de cinzas. Os materiais voláteis são os componentes desprendidos no início da combustão, sendo composto principalmente por hidrogênio, hidrocarbonetos, monóxido de carbono e dióxido de carbono. A biomassa com maior teor de voláteis e menores teores de cinzas apresenta, normalmente, maior poder calorífico. O valor médio do teor encontrado para os materiais voláteis nas espécies avaliadas de eucalipto (86,89%) está próximo aos encontrados na literatura. Silva et al., (2012) observou para E. benthamii Maiden at Cambage (84%); Júnior (2014) encontrou para E. urograndis o valor médio de (88,34%); Teixeira e Lora (2003) encontraram um teor médio de materiais voláteis de (82,54%) em amostras de coníferas (Gimnospermas). Em termos gerais, a madeira apresenta índice de materiais voláteis entre 75 e 90%. No entanto, a composição química elementar e a proporção de todos os constituintes da parede celular também influenciam o potencial energético do combustível. Ainda na Tabela 3 o teor médio de carbono fixo encontrado nas amostras de eucalipto foi de (7,85%) um pouco a baixo que observadas por Brito e Barrichelo (1978) para E. grandis (9,6%); Júnior (2014) para E.urograndis (11.04%) e valores médios encontrados por Lora et al., (2013) para madeira (20-25%), pellets de madeira (20-25%), carvão vegetal (85-87%) e carvão mineral (50-55%) de carbono fixo. O teor de voláteis e carbono fixo é inversamente proporcional. Através do percentual de matérias voláteis, pode-se estimar o grau de combustão de um combustível. Ou seja, combustíveis 5

6 com altos índices de carbono fixo (baixo índice de voláteis) deverão queimar-se mais lentamente. Portanto, eles poderão requerer longo tempo de residência na fornalha para queima total, quando comparados com combustíveis que possuam baixo índice de carbono fixo. Assim, o conhecimento da composição química imediata é importante para o cálculo do projeto da fornalha e das quantidades de ar primário e secundário, necessários em função da percentagem de voláteis. Também, o teor de voláteis tem um papel importante durante a ignição e as etapas iniciais da combustão de combustíveis sólidos. CONCLUSÃO Com a análise da densidade os parâmetros encontrados variam nas 3 espécies de eucalipto, mas ficando dentro dos valores esperados para uma ótima produção calorifica. Através da análise elementar os teores encontrados para cada elemento corroboram com os encontrados na literatura. Assim os parâmetros estudados contribuem para um poder calorifico excelente. Na análise imediata os teores encontrados são favoráveis para a utilização dos eucaliptos em processos de combustão. A partir dos parâmetros avaliados, as três espécies de eucalipto analisadas possuem características desejáveis ao processo de produção energética. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA BRAND, M. A. Energia de Biomassa Florestal. 01. ed. Rio de Janeiro: Interciência, v p. BRITO, J. O. Energia da madeira. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p BRITO, J.O.; BARRICHELO, L.E.G. Aspectos técnicos da utilização da madeira e carvão vegetal como combustíveis. In: Seminário de Abastecimento Energético Industrial com Recursos Florestais, 2., 1982, São Paulo. Anais... São Paulo, P CARNEIRO, A. C. O.; SANTOS, R. C.; OLIVEIRA, A. C.; PEREIRA, B. L. C. Conversão direta da madeira em calor e energia. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p

7 CORTEZ, L.A.B.; LORA, E.E.S.; OLIVARES GÓMEZ, E. Biomassa para energia. Campinas: Editora da Unicamp, SP, p. COUTO, L.; MULLER, M. D. Produção de florestas energéticas. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p LORA, E. E. S.; VENTURINI, O. J. Biocombustíveis. Rio de Janeiro: Interciência v. 2. p LORA, E. E. S.; VENTURINI, O. J.; ANDRADE, R. V. Torrefação de madeira. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p McKENDRY, P. Energy production from biomass: overview of biomass. Bioresources Technology, Amsterdam, v.83, p , SANTOS, F.; QUEIROZ, J. H.; COLODETTE, J.; SOUZA, C. J. Produção de etanol celulósico a partir da cana-de-açúcar. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p VITAL, B. R.; CARNEIRO, A. C. O.; PEREIRA, B. L. C. Qualidade da madeira para fins energéticos. In: SANTOS, F.; COLODETTE, J.; QUEIROZ, J. H. (Eds). Bioenergia e Biorrefinaria Cana-de-Açúcar e Espécies Florestais -. Viçosa: p