Análise de Matéria-prima Oriunda de Biomassa. Profa Dra Gilmara de Oliveira Machado Departamento de Engenharia Florestal

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO-OESTEOESTE Combustíveis e Biocombustíveis Análise de Matéria-prima Oriunda de Biomassa Profa Dra Gilmara de Oliveira Machado Departamento de Engenharia Florestal Maio de 2014

2 Análises de matériasprimas oriundas de Biomassa Definição de Bioenergia. Composição química da biomassa vegetal. Insumos que são usados para produzir bioenergia. Como se produz os insumos? Qual é o potencial de produção? Quais são os principais bioenergéticos?

3 Bioenergia É a energia derivada de qualquer forma de biomassa (combustível de origem biológica, se obtém a partir de organismos que estiveram vivos recentemente) Exemplos: Árvores: lenha e carvão vegetal Plantações agrícolas: casca de arroz, serragem e bagaço da canade-açúcar Gordura animal e Óleos vegetais Resíduos orgânicos Todos esses exemplos são fontes de Bioenergia.

4 BIOMASSA MODERNA VERSUS BIOMASSA TRADICIONAL Infelizmente, no que se refere à participação da Bioenergia como fonte de energia, uma grande parte dessa Bioenergia é o que se chama de Biomassa tradicional utilizada com baixa eficiência de conversão (fogões à lenha: de 5 a 10%) A) Tecnologias tradicionais de uso da biomassa (ou biomassa tradicional): combustão direta de madeira, lenha, carvão vegetal, resíduos agrícolas, resíduos de animais e urbanos, para cocção, secagem e produção de carvão. As chamadas biomassas tradicionais são aquelas não sustentáveis, utilizadas de maneira rústica, em geral para suprimento residencial (cocção e aquecimento de ambientes) em comunidades isoladas. Pode-se destacar a madeira de desflorestamento, resíduos florestais e dejetos de animais. B) Tecnologias aperfeiçoadas de uso da biomassa (ou biomassa aperfeiçoada ): tecnologias aperfeiçoadas e mais eficientes de combustão direta de biomassa, tais como fogões e fornos. C) Tecnologias modernas de uso da biomassa (ou biomassa moderna): tecnologias avançadas de conversão de biomassa em eletricidade e o uso de biocombustíveis. São consideradas biomassas modernas os biocombustíveis (etanol e biodiesel), madeira de reflorestamento, bagaço de cana-de-açúcar e biogás, desde que utilizadas de maneira sustentável, em processos tecnológicos avançados e eficientes.

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6 A Bioenergia é expressiva? Contribui para atender a demanda de energia do Mundo? E a do Brasil?

7 Dados Mundiais (%) Dados Brasileiro (%) Combustíveis fósseis 81,6 Biomassa da cana 15,4 Biocombustíveis e resíduos 10 Hidroeletricidade 13,8 Nuclear 5,1 Lenha e carvão vegetal 9,1 Madeira para energia 47 Madeira para energia 62 Bioenergia Moderna no Mundo Combustíveis fósseis 56,1 Como fonte de energia Como fonte de eletricidade Consumo de Energia pelas famílias brasileiras (lenha e GLP/gás natural) (Demanda de lenha pelas famílias: Valor médio constante e igual a 10,3 kg/domicílio/dia para consumidores exclusivos de lenha e 8,3 kg/domicílio/dia para consumidores de lenha e outros combustíveis) Norte EJ 4,5 EJ 27,2% de lenha 28,1% de GLP/gás natural Número de domicílios que utilizam lenha no Brasil (mil unidades) Nordeste 1860 Sul 1313 Sudeste 1818 Centro-oeste 220 Brasil 5498

8 Participação da Bioenergia no Cenário Mundial BIOENERGIA Como fonte de Energia Como fonte de Eletricidade 16% 5%

9 Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Energia Bioenergia (Renewables): parcela amarela (16,7%). Grande parte da Bioenergia é Biomassa Tradicional (8,5%). Biomassa moderna seria, por exemplo, os biocombustíveis, biofuels (etanol e biodiesel, 0,7%) com uma participação bem pequena.

10 Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Eletricidade Combustíveis: 79,7% (Fósseis e Nuclear) Hidrelétrica: 15,3% Bioenergia: 5%

11 Combustíveis Fósseis

12 Resumo Fontes de Biocombustíveis

13 FONTES DE BIOMASSA: Vegetais não lenhosos Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004 Matéria-prima Produção (agrícola, tons) Produção (resíduo, t/ha) Matéria (seca,%) Produção total (de Resíduo, Tons) Cana (bagaço) ,0 13,0 23, Arroz (casca) ,0 6,0 89, Café (casca) Mandioca (rama) ,0 10,0 90, Milho (palha e sabugo) ,0 8,0 90, Soja (restos de cultura) ,0 4,0 88, Mamona Algodão

14 FONTES DE BIOMASSA: resíduos sólidos urbanos Índices de produção per capita de resíduos sólidos domiciliares em função da população urbana População (hab.) Produção (kg/hab.dia) Até ,4 De a ,5 De a ,6 Mais de ,7

15 FONTES DE BIOMASSA: resíduos industriais Disponibilidade de resíduos agroindustriais Resíduos Produção PCS (MJ/kg, base seca) Disponibilidade Bagaço cana kg/ton cana 18,4 100% Licor negro 800 kg/ton celulose (base seca) 12,5 80% Borra de café 4,5 ton/ton café solúvel 14,6 60 a 80%

16 FONTES DE BIOMASSA: resíduos animais Quantidade de excremento produzido por diferentes animais Animal Massa (animal, kg) Volume (excremento, m 3 /dia) Massa úmida (excremento, kg/dia) Matéria seca (%) Gado de corte 500 0,028 0,037 27,7 36,6 10 Gado de leite 500 0,031 0,035 30,2 35,0 10 Suínos 100 0,0056 0,0078 5,4 7,6 10 Equinos 500 0, Aves 2,5 0, , ,14 0,17 20 Ovelhas - 2,0 20

17 FONTES DE BIOMASSA: resíduos florestais Consumo industrial de madeira em toras no Brasil (1000 m 3 ) Produto Nativas Plantadas Total Celulose e papel Carvão vegetal Lenha industrial Serrados Lâminas e compensados Painéis reconstituídos Total

18 Rendimento Energético: aspecto importante no cultivo e na produção de biocombustíveis de primeira geração (vias convencionais). Biocombustíveis GJ/ha Biodiesel de girassol 36 Biodiesel de soja Etanol de trigo Etanol de milho Etanol de açúcar de beterraba 117 Etanol de Cana-de-açúcar

19 Rendimento Energético: biocombustíveis de segunda geração (produtos de pirólise, de gaseificação, etanol celulósico, etc). Biocombustíveis Etanol de Panicum virgatum Plantação de eucalipto: biodiesel Fischer Tropsch (FT) por gaseificação Plantação de eucalipto: metanol Plantação de eucalipto: dimetil éter (DME) GJ/ha (futuro)

20 CONSTITUIÇÃO QUÍMICA DA BIOMASSA DE ORIGEM VEGETAL BIOMASSA Baixa massa molar Alta massa molar Orgânica Inorgânica Polissacarídeos Lignina Extrativos Cinzas Celulose Polioses CO 2 + fotossíntese H 2 O carboidrato + O 2 + H 2 O

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22 PARA PRODUZIR O ETANOL, POR EXEMPLO, PARTIMOS DE PELO MENOS TRÊS FORMAS DE BIOENERGIA CANA CANA-DE-AÇUCAR (BRASIL) MILHO (ESTADOS UNIDOS) TRIGO (EUROPA) MILHO TRIGO

23 Sorgo Os amidos são carboidratos complexos, que devem ser transformados para obtenção de açúcares mais simples para fermentação. Ex: milho (Zea mays L.), mandioca (Manihot utilíssima) e batata-doce [Ipomoea batatas L. (Lam.)]. O Sorgo granífero cv. Sacarino (Sorghum bicolor (L.) Moench) com os nomes populares: Milho da Angola, Milho da Guiné.

24 ETANOL E SEUS COPRODUTOS

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26 Etanol Celulósico Capim-elefante Celulósicos: é necessária a hidrólise do material para que se possa utilizar os carboidratos em sua forma mais simples. Ex: capim-elefante (Pennisetum purpurem Schumach); gramíneas forrageiras, etc.

27 Etanol Celulósico HO HO OH CH 2 O OH O HO CH 2 OH OH O O n-2 OH OH CH 2 OH O H Hidrólise HO OH HO CH 2 O OH glicose OH fermentação leveduras etanol Motivação: obtenção de combustível líquido Produção de celulose: 100 bilhões t/ano; 70 Kg/dia/habitante Celulose: compreende cerca de 2/3 de toda matéria orgânica da Terra

28 CUSTO POR PRODUÇÃO (Embrapa) 1 litro de etanol da cana: 0,34 dólar/litro 1 litro de etanol derivado do milho: 0,50 dólar/litro 1 litro de etanol de celulose: 1,10 dólar/litro

29 MADEIRA, GERALMENTE O EUCALIPTO, PARA FAZER CARVÃO VEGETAL Eucalipto e Florestas Energéticas Forma maciços florestais que gera uma grande quantidade de energia por hectare, no menor espaço de tempo possível, tem espécies de rápido crescimento e alta massa específica, tolerância à alta densidade de árvores por área e menor ciclo de corte (plantios de curta rotação).

30 Carbonização Forma lenta de pirólise empregada há séculos a fim de converter a lenha em um combustível mais homogêneo e de maior densidade energética Madeira + Calor Pirólise da Biomassa Carvão vegetal Voláteis condensáveis Gases Cinzas

31 O Biogás é uma mistura gasosa composta principalmente de metano (CH4). Gás produzido por meio da fermentação de resíduos orgânicos: resíduos de animais e resíduos agrícolas. Nos biodigestores, as bactérias digerem a biomassa e produzem biogás. O Biogás pode ser utilizado para cocção de alimentos e geração de energia elétrica. BIOGÁS

32 BIODIESEL Para produzir biodiesel utilizamos plantas que produzem óleo Oleaginosas: óleo de dendê, de soja, de girassol, de mamona, etc. Exemplos de Oleaginosas: Anajá (Maximiliana maripa (Correa) Drude), Buriti (Mauritia flexuosa L. f.), Canola (Brassica napus L. var. oleifera.), Canudo-de-pito (Mabea fistulifera Mart.), Cártamo (Carthamus tinctorius L.), Castanha-do-brasil (Bertholletia excelsia), Gergelim (Sesamum indicum L.), Girassol (Helianthus annus L.), Linhaça (Linum usitatissimun L.), Mamorana (Pachira aquática Aubl.), Marajá (Bactris tomentosa Mart.), Nabo forrageiro (Raphanus sativus L.), Perinão (Markleya dahlgreniana (Bondar) Wess. Boer.), Pinhão-manso (Jatropha curcas L.), Saboneteiro (Sapindus saponaria L.), Sapucaia (Lecythis pisonis Camb.), Tucumã (Astrocaryum aculeatum G.F.W. Mayer), Tungue (Aleurites fordii Hemsl. e A. montana (Lour.) Wils.) e Ucuúba (Virola surinamensis (Rol.) Warb.).

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34 Biodiesel Pode ser utilizado puro ou misturado com o óleo diesel na proporção de 5 a 30% em motores diesel convencionais, sem a necessidade de adaptação

35 Biodiesel

36 Transesterificação de Óleos Vegetais O H 2 C O C (CH 2 ) 14 CH 3 O HC O C O (CH 2 ) 16 CH 3 + CH 3 CH 2 OH ÁLCOOL H 2 C O C (CH 2 ) 16 CH 3 ÓLEO VEGETAL TRANSESTERIFICAÇÃO O CH 3 (CH 2 ) 14 O C CH 2 CH 3 2CH 3 (CH 2 ) 16 O O C CH 2 CH 3 BIODIESEL + CH 2 CH CH 2 OH OH OH GLICERINA

37 Buriti Presente no oeste da Amazônia brasileira, numa área superior a 8 milhões de hectares. Com uma produtividade nativa de 500 plantas por hectare, a capacidade anual de produção é de 5 toneladas de óleo por hectare. O potencial de produção anual pode alcançar 40 milhões de toneladas de óleo.

38 Babaçu Ocupa uma área nativa estimada em 14 milhões de hectares, dos quais 70% estão no Maranhão. A produtividade média é de 200 plantas por hectare e o potencial de produção é de 5 milhões de toneladas de óleo por ano. Estima-se que este potencial pode ser dobrado com manejo agronômico.

39 Dendê (óleo de palma) As condições climáticas e de solo tanto da região sul - baiana quanto da Amazônia permitem uma fácil adaptação desta oleaginosa de origem africana. A palma africana (dendezeiro) pode ser cultivada em solos pobres, como o são a maioria dos solos da Amazônia e estabelece rapidamente uma cobertura arbórea, imitando a floresta tropical. A formação de florestas de dendê pode ocorrer em áreas de solo degradado pelas queimadas ou por intensa atividade pecuária. O dendezeiro apresenta um grande rendimento por hectare plantado, com a produtividade de 3 a 6 t óleo/ha/ano, enquanto a produtividade da soja, por exemplo, é da ordem de 0,4 a 0,5 t/ha/ano

40 Aguapé, Eichhornia crassipes Martius. Aguapé Plantas aquáticas que possuem potencial para geração de energia. Entre elas estão o aguapé ou lírio aquático (Eichhornia crassipes Martius.); algas e microalgas. O aguapé se sobressai por possuir a capacidade de fixar, nos seus tecidos, nutrientes em quantidades superiores às necessidades de seu metabolismo, além de elementos químicos estranhos à sua nutrição (como os metais pesados). Outro destino adequado a esta biomassa é sua utilização em biodigestores anaeróbicos com a finalidade de obtenção de biogás. Além do gás obtido no processo, é produzido no interior do biodigestor um excelente fertilizante (Cuidado! Ver questão de metais pesados!!!!!).

41 FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos Resíduos orgânicos - Agropecuários: mandioca, o objetivo é a produção de raízes, sendo o restante da planta (parte aérea e cepa) considerado resíduo. Estima-se que o resíduo pode ter entre 30 a 50% da matéria seca produzida, viabilizando sua utilização para combustão e geração de energia. Poder calorífico do resíduo: 15,76 MJ/kg.

42 FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos Resíduos orgânicos - urbanos: são aqueles resíduos sólidos gerados nos ambientes doméstico e comercial. Sendo assim, englobam domicílios, escritórios, escolas, hotéis, restaurantes, varredura e podas urbanas, entre outros. Pode-se definir como resíduo urbano ou lixo: os restos das atividades humanas, considerados pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou descartáveis.

43 FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos Resíduos orgânicos - Agroindustriais: Em geral, os resíduos agroindustriais gerados possuem valor energético, reduzindo a dependência da energia comprada e são utilizados para a geração de vapor ou eletricidade. Os setores com possibilidade de aproveitamento de seus resíduos: Indústrias de açúcar e álcool; Matadouros e frigoríficos; curtumes; indústrias da pesca; Fábrica de doces e conservas; Indústria da madeira; Indústria de papel e celulose.

44 Rotas de Produção de Energia a partir de Biocombustíveis

45 COMBUSTÃO Reação exotérmica muito rápida entre a madeira (combustível) e o oxigênio (ar: 21% O2 e 79% N2) acompanhada por liberação de calor O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão, quando todo o carbono no combustível é oxidado (reage com oxigênio) para dióxido de carbono, todo hidrogênio para água e todo enxofre para dióxido de enxofre

46 Diferentes Tipos de Fogões para Biomassa

47 Eficiências registradas em diferentes tipos de fogões à lenha e cozinhas comerciais Tipo de fogão Eficiência Fogão de 3 pedras 7 10 / Fogão pesado com chaminé Fogão sem chaminé para uma panela Fogão sem chaminé para duas panela Fogão compacto para serragem 15 / Fogão à gás 57 Fogão elétrico 50

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49 ELEMENTOS QUÍMICOS NA BIOMASSA RESPONSÁVEIS PELA LIBERAÇÃO DE CALOR H C S

50 UM COMBUSTÍVEL PODE CONTER UMA PORÇÃO INCOMBUSTÍVEL UMIDADE CINZAS OXIGÊNIO E NITROGÊNIO

51 Processos de Conversão Energética da Biomassa para a obtenção de biocombustíveis de maior densidade energética Densificação: pellets e briquetes Processos Físicos Redução granulométrica: aparas Prensagem mecânica: óleo vegetal BIOMASSA Processos Termoquímicos Processos Biológicos Combustão Pirólise Gaseificação Liquefação: hidrocarbonetos, bioóleos Fermentação: etanol Digestão anaeróbica: biogás

52 Briquete O briquete e pellets é um pequeno bloco deforma pré-definida, resultante da aplicação de pressão em uma mistura de resíduos, dentro de moldes matrizes.

53 VERSÕES DA TECNOLOGIA DE PIRÓLISE Processo de Pirólise Tempo de residência Taxa de aquecimento Temperatura Máxima (ºC) Produtos Principais Carbonização Horas-dias Muito pequena 400 Carvão vegetal Convencional 5-30 min Pequena 600 Bioóleo, Carvão e gás Rápida 0.5-5s Intermediária 650 Bioóleo Flash pirólise <1s Alta <650 Bioóleo e gás Ultra-rápida <0.5s Muito alta 1000 Produtos químicos e gás combustível Vácuo 2-30s Intermediária 400 Bioóleo Hidropirólise <10s Alta <500 Bioóleo e produtos químicos Metanopirólise <10s Alta >700 Produtos químicos

54 Gaseificação da Biomassa

55 Gaseificação da Biomassa A gaseificação é um processo termoquímico de conversão da biomassa (lenha ou carvão vegetal) num gás com características basicamente combustíveis. O gás combustível possui CO e H 2 como os mais importantes componentes energeticamente ativos.

56 Fundamentos Teóricos da Gaseificação Todo gaseificador tem uma etapa de pirólise precedendo a etapa de gaseificação e as reações envolvidas podem ser analisadas separadamente. Secagem e Pirólise Evaporação da água Decomposição térmica dos polissacarídeos com produção de voláteis Produção de alcatrão Gases não condensáveis: CO, CO 2, H 2, CH 4, O 2 Carvão vegetal

57 Fundamentos Teóricos da Gaseificação As reações químicas que ocorrem na zona de combustão são basicamente a combinação de oxigênio do ar com o carbono e o hidrogênio Combustão É a oxidação do carbono em altas temperaturas e em contato com o oxigênio, produzindo calor para manter as reações Objetivo: liberação de energia na forma de calor (energia térmica) Biomassa (C,H,O) + O 2 CO 2 + H 2 O (combustão completa) Biomassa (C,H,O) + O 2 CO (combustão incompleta)

58 Gaseificação do Carbono (~ 700 a 1000ºC) Gás carbônico é reduzido endotermicamente para CO. O vapor de água sofre várias reações com o carbono (C) produzindo hidrogênio (H 2 ). O hidrogênio ao passar através do carbono quente se combina com este formando hidrocarbonetos leves, principalmente metano. Reações C (sólido) + CO 2 2 CO (gás) C (sólido) + H 2 O CO + H 2 (gases) C (sólido) + 2H 2 O CO 2 + 2H 2 (gases) C (sólido) + 2 H 2 CH 4 (gás)

59 CO como matéria-prima de compostos orgânicos As misturas de CO e H 2 levam a formação de muitos produtos orgânicos dependendo da temperatura, da pressão e do catalisador. Síntese do Metanol CO (g) + H 2 (g) CH 3 OH (álcool) O metanol é preparado na presença de catalisador de óxido de zinco-óxido de cromo III (Z n O-Cr 2 O 3 )

60 CO como matéria-prima de compostos orgânicos As misturas de CO e H 2 podem ser convertidas, pela metanização catalítica à metano que pode ser usado como combustível Síntese do Metano CO (g) + 3H 2 (g) CH 4 + H 2 O O metano é preparado na presença de catalisador de níquel (Ni)

61 CO como matéria-prima de compostos orgânicos As misturas de CO e H 2 podem ser convertidas em gasolina sintética pelo uso apropriado de catalisador. Estes combustíveis líquidos contêm muitos hidrocarbonetos, como o octano C 8 H 18 Síntese do Octano 8CO (g) + 17H 2 (g) C 8 H H 2 O O metano é preparado na presença de catalisador Fe-CO

62 Obrigada pela atenção! Gilmara de Oliveira Machado