CARACTERIZAÇÃO ENERGÉTICA DE PELLETS DE MADEIRA ENERGY CHARACTERISTICS OF WOOD PELLETS

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1 CARACTERIZAÇÃO ENERGÉTICA DE PELLETS DE MADEIRA Dorival Pinheiro Garcia 1, José Cláudio Caraschi 2, Gustavo Ventorim 3 1 Mestre em Engenharia Mecânica-pelletsdemadeira@gmail.com, 2 Doutor em Química-caraschi@itapeva.unesp.br, 3 Doutor em Ciência Florestal-ventorim@itapeva.unesp.br UNESP-Universidade Estadual Paulista/Câmpus Itapeva, Rua Geraldo Alckmin, 519, (15) RESUMO A atual matriz energética mundial baseia-se principalmente na utilização de combustíveis fósseis, mas por questões ambientais (efeito estufa e as elevadas emissões de CO 2 ) e econômicas (preço do barril), o petróleo vem sendo substituído por outras formas de energia como os pellets de madeira que possuem grande potencial para suprir as necessidades atuais de energia com menor impacto ambiental. Desta forma, este estudo objetiva analisar e comparar as principais características térmicas (poder calorífico superior e inferior, densidade energética) dos pellets de madeira. Foram analisadas cinco procedências de pellets (uma de eucalipto, três de pinus e uma de pé de laranjeira). Os pellets foram produzidos no Brasil e obtidos diretamente com os produtores em suas embalagens comerciais de venda e efetuadas análises seguindo normas padrões da ABNT. Essas análises mostraram que os pellets têm densidade energética de até 4,32 vezes maior que a serragem e 3,41 vezes maior que o cavaco. Essa maior quantidade de energia por unidade de volume demonstra uma das vantagens dos pellets quando comparado a outras biomassas não compactadas. PALAVRAS-CHAVE: Biomassa florestal. Pellets de madeira. Poder calorífico ABSTRACT ENERGY CHARACTERISTICS OF WOOD PELLETS The current global energy production is based primarily on the use of fossil fuels, but environmental issues (greenhouse and the high CO 2 emissions) and economic (price per barrel) oil has been replaced by other energy forms such as pellets wood that have great potential to meet current energy needs with less environmental impact. Thus, this study aims to analyze and compare the main thermal characteristics (gross calorific value and lower energy density) of wood pellets. We analyzed five provenances of pellets (one of eucalyptus, three of pine and one orange tree). The pellets were produced in Brazil and obtained directly from producers in its commercial packaging sales and analyzes carried out following the norms of the ABNT standards. These analyzes showed that the pellets have a power density of up to 4.32 times the sawing and 3.41 times greater than the chip. This greater amount of energy per unit volume demonstrates one of the advantages of the pellets when compared to other biomass uncompressed. Keywords: Forest biomass. Wood pellets. Gross calorific INTRODUÇÃO A geração de resíduos é uma característica intrínseca da cadeia produtiva florestal, constituindo-se em um grande passivo ambiental necessitando de gestão adequada desses resíduos, controle de possíveis fontes de contaminação de águas e solos e das emissões atmosféricas (NASCIMENTO, 2008). Dentro do contexto atual, em face das emissões de poluentes das fontes de combustíveis fósseis, das resoluções do Protocolo de Kyoto, do aquecimento global, das pressões ambientais por parte de entidades ambientalistas, de instituições de pesquisa e da própria sociedade, torna-se de fundamental importância o desenvolvimento de alternativas energéticas que atendam tanto ao suprimento de energia quanto ao desenvolvimento sustentável. Nesse sentido, o uso de produtos compactados e homogêneos tem sido uma das formas mais eficientes de se viabilizar economicamente a utilização desses resíduos (DOLZAN et al., 2006).

2 Os pellets de madeira (Figura 1) são pequenas pelotas cilíndricas de madeira, compactadas e densas. Devem ser produzidas com baixo teor de umidade (menor que 10%), permitindo elevada eficiência na combustão. Sua geometria regular e cilíndrica permite tanto a alimentação automática num sistema industrial quanto à alimentação manual, nos aquecedores residenciais, porque é um produto natural e, em sua maioria, não tem elementos tóxicos na sua composição. FIGURA 1: PARTÍCULAS DE PELLETS DE MADEIRA. FIGURE 1: PARTICLES OF WOOD PELLETS Sua principal aplicação é no aquecimento comercial ou residencial de ambientes, mas também pode ser utilizado como combustível para a geração de energia elétrica em plantas industriais ou, até mesmo, em usinas termoelétricas. A utilização dos pellets é favorável ao meio ambiente, pois é neutro em carbono, ou seja, todo CO 2 (emitido na sua queima) é recuperado no crescimento da árvore, além de ser derivado de resíduos de madeira que constituem um passivo ambiental quando deixado no campo (HAHN, 2004). Além da madeira, outros resíduos lignocelulósicos podem ser transformados em pellets como a casca de arroz, a casca do amendoim, a palha de milho, as gramíneas, o lixo urbano e a turfa que são comuns na Europa e Estados Unidos (DOLZAN et al., 2006). A Suécia é o principal consumidor mundial deste biocombustível e a utilização em sistemas de aquecimento residencial e comercial é subsidiada pelo governo que busca um combustível renovável para substituir o poluente petróleo e seus derivados. Os pellets de madeira estão tornando-se popular no Brasil e diversas empresas têm anunciado altos investimentos neste biocombustível como a SER-Suzano Energia Renovável que produzirá (em 2014), no Estado do Maranhão, t/ano deste biocombustível para aplicações industriais. Temos no Brasil, atualmente, pouco mais de nove plantas industriais que produzem pellets. FIGURA 2: MAPA DOS PRODUTORES DE PELLETS DE MADEIRA 2012-BRASIL FIGURE 2: PELLETS MAP PRODUCERS OF THE WOOD PELLETS 2012-BRAZIL Os pellets de madeira geralmente são feitos com os resíduos da indústria madeireira tais como a serragem, maravalhas, aparas, cavacos, galhos etc. Essa matéria-prima é processada nas plantas industriais estacionárias e, com alta pressão e temperatura, são comprimidos no formato de pequenos cilindros de 6,0 a 10,0 mm, de diâmetro, e até 30 mm de comprimento. A versatilidade e a disponibilidade da biomassa aliadas à sua

3 característica de energia renovável e que não contribuem para o aquecimento global, são fortes argumentos para potencializar o seu uso no mundo todo. Por outro lado, a heterogeneidade e a umidade variável, aliados ao alto custo dos transportes, são desafios limitantes que devem ser superados, com novas tecnologias e novos produtos, para popularizá-la como fonte limpa de energia (DEMIRBAS, 2007). Neste contexto, este trabalho tem como objetivo, analisar os pellets de madeira quanto as suas características energéticas e demonstrar suas vantagens em comparação com outras biomassas. MATERIAIS E MÉTODOS Todos os ensaios e testes desta pesquisa foram realizados no Laboratório de Biomassa da UNESP do Campus Experimental de Itapeva. Foram analisadas cinco procedências de pellets de madeira de três estados brasileiros: dois de São Paulo; dois do Paraná e um de Santa Catarina. Como todas as amostras de pellets coletadas referem-se a produtos comerciais, neste trabalho elas foram identificadas apenas pelo estado de origem acompanhado de uma sigla. Desta forma, procurou-se evitar a promoção positiva ou negativa de marcas comerciais. Eles encontravam-se em suas embalagens comerciais de venda. Todas as amostras foram armazenadas em local seco e à temperatura ambiente. As caracterizações iniciais destas amostras estão relacionadas na Tabela 1. TABELA 1 CARACTERIZAÇÃO INICIAL DAS AMOSTRAS. TABLE1: INITIAL CHARACTERIZATION OF THE SAMPLES. Biomassas Material Origem Forma Dimensão Matéria-prima P1 Pellets São Paulo cilíndrica 6 mm eucalipto P2 Pellets Paraná cilíndrica 6 mm pinus P3 Pellets Paraná cilíndrica 6 mm pinus P4 Pellets Santa Catarina cilíndrica 6 mm pinus P5 Pellets São Paulo cilíndrica 6 mm laranjeira Ser Serragem São Paulo Partículas < 3 mm pinus Cav Cavaco Paraná Partículas < 50mm pinus No Brasil não há normas para padronização e caracterização dos pellets de madeira. Há algumas normas brasileiras específicas para briquetes e carvão vegetal que são adaptadas para a utilização em pellets. Por esse motivo, muitos ensaios foram feitos com base em normas europeias ou americanas. Para determinação da densidade a granel, utilizou-se a metodologia estabelecida pela norma ABNT NBR 6922, para carvão vegetal. Em função da quantidade limitada de pellets de madeira e da homogeneidade granulométrica dos mesmos, promoveu-se uma adaptação da norma, utilizando-se um cilindro de PVC com volume conhecido de 5,0 litros, que foi preenchido até a borda com o biocombustível e, sua massa, obtida numa balança analítica com precisão de 0,1 g. Foram realizados cinco repetições para cada procedência de material. Determinou-se o Poder calorífico superior (PCS) e inferior (PCI) em uma bomba calorimétrica isotérmica marca IKA WORKS modelo C-5000, por meio da metodologia estabelecida na norma ABNT NBR 8633 que prescreve o método de determinação do PCS do carvão vegetal a volume constante. Para os pellets, a norma foi adaptada triturando-os antes da análise. Realizaram-se cinco repetições para cada amostra coletada. O valor do PCI foi calculado de acordo com a Equação 01, considerando o teor de umidade de cada amostra.. (1) Sendo m a massa total de H 2 O nos produtos de combustão (g), o L v é o calor latente de vaporização da água que vale 2,26 kj/kg, o PCI é o poder calorífico inferior (kj/kg) e o PCS é o poder calorífico superior (kj/kg). A densidade energética é a quantidade de energia por unidade de volume de um combustível e foi obtida pelo produto do PCI com a densidade a granel das amostras. O Teor de Umidade foi realizada de acordo com a norma ABNT NBR9656. RESULTADOS E DISCUSSÃO A densidade a granel é muito importante para quantificar volumes de produtos com formas irregulares, pois fornece informações que poderão ser úteis para a logística e transportes dos mesmos, já que considera os

4 espaços vazios entre uma partícula e fornece dados reais dos volumes para o transporte. Além disso, é utilizada para o cálculo da densidade energética. Tem sido demonstrado que a densidade aumenta à medida que diminui o tamanho da partícula, devido ao fato de que os espaços vazios entre essas partículas são menores, desta forma quanto maior a densidade a granel, maior a massa que pode ser transportado ou armazenado num recipiente de volume fixo, minimizando assim custos de transporte e armazenamento (MANI et al, 2006 e OBERNBERGER e THEK, 2004). A Tabela 2 mostra estes dados. A densidade a granel fornece o grau de compactação de um material em relação a outro. Por exemplo, podemos dizer que os pellets P1 está 3,69 vezes mais compactado do que a serragem (647,4/175,5 = 3,69). Isso comprova a vantagem dos pellets de madeira, como combustível compactado, que é a maior quantidade de energia por unidade de volume. Além disso, reduz o espaço requerido para a estocagem e transporte deste combustível nesta mesma proporção. Pastre (2002), analisando 38 tipos diferentes de pellets, encontrou valores de densidade a granel dos pellets na faixa de 520,0 a 640,0 kg/m 3. A densidade energética foi obtida multiplicando-se a densidade a granel pelo PCI. Os pellets são secos e comprimidos e tem umidade padronizada (abaixo de 12%) e, consequentemente, uma maior densidade de energia, possibilitando um transporte mais fácil e mais barato (STHAL, 2008). Os resultados demonstram que os pellets P2 têm a maior quantidade de energia por unidade de volume com 11,57 GJ/m 3. Este valor está intimamente relacionado com o teor de umidade e o poder calorífico do combustível. Além disso, percebe-se que todas as amostras de pellets têm densidades energéticas muito semelhantes. A densidade energética dos pellets P2 é cerca de 4,32 vezes maior que a serragem (11,57/2,68) e 3,41 vezes maior que o cavaco de madeira, o que representa uma maior geração de energia por volume do produto. TABELA 2: PROPRIEDADES DOS MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS TABLE 2: PROPERTIES OF LIGNOCELLULOSIC MATERIALS Propriedades Unid. P1 P2 P3 P4 P5 Ser Cav Diâmetro médio mm 6,2 6,6 6,3 6,5 6,1 0,16 2,47 PCS MJ/kg 18,81 19,48 19,13 18,71 17,90 16,8 17,58 PCI MJ/kg 17,35 18,13 17,70 17,29 16,53 15,26 16,11 Densidade a granel kg/m 3 647,4 638,0 638,1 640,6 630,1 175,50 210,62 Cinzas % 0,93 0,33 0,59 0,54 2,69 1,22 0,37 Densidade energética GJ/m 3 11,23 11,57 11,29 11,08 10,41 2,68 3,39 Teor de umidade % 10,25 6,76 7,78 8,55 6,2 14,29 10,77 O teor de umidade é um parâmetro importante porque afeta diretamente no balanço energético da densificação, pois quanto menor o teor de umidade, maior será a produção de calor por unidade de massa (VALE et al., 2000). Dessa maneira é recomendado um teor de umidade de no máximo 20% para a queima, visto que os valores superiores reduzem o valor do calor de combustão, a temperatura da câmara de queima e a temperatura dos gases de escape (WU, 2011). O Comitê Europeu de Padronização (CEN) define um teor de umidade padrão de 10%, para os pellets nas utilizações domésticas, a fim de manter uniforme a densidade de energia e eficiência de combustão nos aquecedores residenciais.. O PCS foi obtido diretamente da bomba colorimétrica e o PCI foi obtido por diferença, considerando o teor de umidade da amostra. Para uma base de cálculo de 1000 g, os cálculos preliminares para os pellets P1, considerando os valores médios de cada elemento químico obtidos na análise elementar realizada na madeira de acordo com Pastre (2002) são mostrados na Tabela 3. Dado PCS de 18,81 kj/kg dos pellets P1 e o calor latente de vaporização da água de 2,26 kj/kg, o PCI pode ser obtido usando a Equação 1: TABELA 3: DADOS DA ANÁLISE ELEMENTAR MÉDIA DA MADEIRA POR PASTRE (2002). TABLE 3: ELEMENTAL ANALYSIS DATA MEDIUM OF THE WOOD BY PASTRE (2002) Madeira Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Umidade Cinza % massa 51,0 6,0 41,5 0,5 10,25 0,93 m (g) 510,0 60, ,0 102,5 9,30 M (g/mol) 12,01 2,02 32,0 28,02 18,02 - n (mol) 42, ,9 0,18 5,7 -

5 Como n H 2 total = n H 2 O total = 30 mol n H 2 O = n H 2 O total + n H 2 O umidade n H 2 O = ,7 = 35,7 mol m = n.m = 35,7. 18 = 642,6 g = 0,6426 kg PCI = PCS - m. L v PCI = 18,81-0,6426 x 2,26 = 18,81 0,9641 = 17,35 kj/kg Para as outras biomassas foram utilizados o mesmo raciocínio, ajustando o teor de umidade de cada amostra conforme dados dos pellets mostrados na Tabela 2. O PCI, quando se considera a energia utilizada na vaporização da água, para os pellets P1 (que tem o maior teor de umidade entre os pellets) foi de 17,35 MJ/kg. Os resultados estão abaixo dos exigidos por grande parte das normas internacionais como a norma austríaca que exige valores 18 MJ/kg. O teor de umidade dos pellets variou entre 6,76% (P2) e 10,25% (P1). Nos Estados Unidos recomenda-se teor de umidade abaixo de 6% para os pellets classe Super Premium (SP) e abaixo de 8% para Premium. Baixos teores de umidade (menores que 6%) são requeridos para a obtenção de maior quantidade de energia útil disponível. Além disso, estudos de Stahl et al. (2004) mostraram que teores de umidade abaixo de 8% prolongam o tempo de estocagem do produto minimizando a proliferação de fungos e a deterioração do material. Carvalho (2011) concluiu que os pellets tem uma combustão mais eficiente devido ao reduzido teor de umidade (5 a 10 %) quando comparado com o da madeira convencional (30 a 60 %);. Os teores de cinzas da madeira, em geral, são baixos por isso Lethikangas (2001) esclareceu que valores superiores podem vir de fontes externas como impurezas adquiridas no transporte ou no processamento da matéria-prima. O maior índice percentual de cinzas encontrado para os pellets P5 (2,69%) pode ser explicado pela carga de nutrientes e minerais adicionados a planta na formação do pomar de laranjeiras. No entanto, para a serragem, o teor de cinzas de 1,22% tem explicação nas misturas de madeira, casca e outros minerais que ocorrem no transporte do produto até as indústrias. TABELA 4: COMPARATIVO DA DENSIDADE ENERGÉTICA DOS PELLETS COM OUTRAS BIOMASSAS TABLE 4: COMPARING THE ENERGY DENSITY OF PELLETS WITH OTHER BIOMASS Biomassa Densidade a granel [kg/m 3 ] Massa transportada em 40 m 3 [kg] PCI [Mj/kg] Densidade Energética = PCI x Dens. a granel [Mj/m 3 ] Qt. de viagens para a mesma quantidade de energia dos pellets 2 P1 647, , ,6 1,03 P2 638, , ,6 1,00 P3 638, , ,8 1,02 P4 640, , ,0 1,04 P5 630, , ,1 1,11 Ser 175, , ,2 4,32 Cav 210, , ,5 3,41 Considerando uma carreta bitrem basculante, muito comum nesta região madeireira, que pode transportar até 40 m 3 de biomassa (Figura 3), nota-se que seria necessário mais de 4 viagens de serragem e mais de 3 viagens de cavaco para transportar a mesma quantidade de energia. Isso precisa ser observado ao comprar esses biocombustíveis, pois o que interessa ao empresário é a quantidade de energia que o combustível pode gerar e não o seu volume. Da mesma forma, para a armazenagem destes biocombustíveis, seria necessária uma área 4,32 vezes maior para a serragem e 3,41 vezes maior para o cavaco. Observa-se ainda, de acordo com a tabela 4, que uma viagem transportando serragem ou cavacos de madeira subutiliza a capacidade de carga da carreta bitrem, que pode chegar até a 40 toneladas. FIGURA 3: CARRETA BITREM BASCULANTE COM CAPACIDADE DE 40 M 3 FIGURE 3: DUMP TRUCK WITH A CAPACITY OF 40 M 3

6 Além disso, os pellets, difere substancialmente do armazenamento de matérias-primas brutas como a serragem e o cavaco de madeira sendo que a diferença mais significativa é o baixo teor de umidade que, de acordo com Lehtikangas (2001), limita o aparecimento de micro-organismos e bolores. Carvalho (2011) mostra que o armazenamento dos pellets é mais seguro porque não há perigo de vazamentos ou de explosões, como no caso do gás ou do óleo. A alta densidade energética e a dimensão reduzida (6,0 a 8,0 mm de diâmetro) dos pellets permite dosear, com maior precisão, a quantidade a ser queimada para a produção de energia, controlando (com maior eficiência) este processo. Além destas características energéticas destacadas, Soffioni (2012) acrescenta que os pellets de madeira possui outra vantagem ambiental que estimula a sua larga utilização: é um biocombustível neutro em CO 2, ou seja, todo gás carbônico liberado na combustão é recuperado no crescimento da árvore. CONCLUSÃO Com base nos resultados obtidos e considerando as análises e as discussões apresentadas, as conclusões gerais deste trabalho são as seguintes: Os pellets P2 são 4,32 vezes mais compactado do que a serragem e ocupa espaço de armazenagem ou transporte 4,32 vezes menor. Os pellets P2 são 3,41 vezes mais compactado do que o cavaco e ocupa espaço de armazenagem ou transporte 3,41 vezes menor. Os pellets P2, com maior PCI, tem densidade energética 4,32 vezes maior que a serragem e 3,41 vezes maior que o cavaco e, portanto, tem mais energia por unidade de volume. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6922: carvão vegetal. Rio de Janeiro,1983. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8633: determinação do poder calorífico superior. Rio de Janeiro,1984. CARVALHO, N.P.R. Implementação do plano de controlo, inspeção e ensaio na produção de pellets de madeira. Dissertação (Mestrado em Tecnologias Ambientais), Instituto Politécnico de Viseu, 1ª ed, Portugal, p. DOLZAN, P.; BLANCHARD, M.P.; GRASSI, A.; HEINIMO, J.; JUNGINGER, M.; RANTA, T. IEA Bioenergy. Global Wood pellets Markets and Industry: Policy Drivers, Market Status and Raw Material Potential. Organizado pela IEA- International Energy Agency Task 40. Paris, p. DEMIRBAS, A. Modernization of biomass energy conversion facilities. Energy Sources, Part B, v.29:p Turkia, HAHN, B. Pellets for Europe. Existing Guidelines and Quality Assurance for Fuel pellets. Austria, 2004, 20p. LETHIKANGAS, P. Quality properties of pelletised sawdust, logging residues and bark. Biomass and Bioenergy, v.19, n.20, p , MANI S, TABIL LG, SOKHANSANJ S. Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses. Biomass and Bioenergy; v.30, p , NASCIMENTO, G. A. Aproveitamento de bagaço em usinas de álcool e açúcar venda, queima ou hidrólise f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Estadual Paulista (FEG/UNESP). Guaratinguetá, OBERNBERGER I, THEK G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour. Biomass and Bioenergy; v.27, p , PASTRE, O. Analysis of the technical obstacles related to the production and utilisation of fuel pellets made from agricultural residues. EUBIA, 2002, 107p. SOFFIONI, E. Jornal Brasileiro das Indústrias de Biomassa. Ano 1, 2ª ed. Disponível em: < Acesso em 02 Ago STAHL, M. Improving Wood Fuel Pellets for Household Use. Faculty of Technology and Science Environmental and Energy Systems, Doctoral Thesis. Sweden, 2008, 91p. STAHL, M.; GRANSTRÖM, K.; BERGHEL, J.; RENSTRÖM, R. Industrial processes for biomass drying and their effects on the quality properties of wood pellets. Biomass and Bioenergy, v. 27, n.6, p ,2004. VALE, A. T. do; BRASIL, M. A. M.; CARVALHO, C. M. de; VEIGA, R. A. de A. Produção de energia do fuste de Eucalyptus grandis HillEx-Maiden e acacia mangium Willd em diferentes níveis de adubação, Revista Cerne, v.6, n.1, p.83-88, WU, M. R., SCHOTT, D. L., LODEWIJKS, G., Physical properties of solid biomass, Biomass and Bioenergy, v. 35, p , 2011.