Biorrefinaria da madeira o novo foco da pesquisa em celulose e papel

Transcrição

1 Laboratório de Celulose e Papel Departamento de Engenharia Florestal Universidade Federal de Viçosa Biorrefinaria da madeira o novo foco da pesquisa em celulose e papel Jorge L. Colodette colodett@ufv.br UFV VIÇOSA, MG 18 de setembro de 2012

2 SUMÁRIO Energia no Brasil e no Mundo O conceito de biorrefinaria Matérias primas Processos As rotas termoquímica e bioquímica Produtos Combustíveis Produtos químicos Materiais

3 Energia no Brasil e no Mundo

4 Consumo de Energia per Capita (2009)

5 Previsões sobre a Demanda Global por Tipo de Combustível Fonte: The Outlook for Energy: A View to 2040 (2012)

6 Histórico do Uso da Biomassa na Geração de Energia Fonte: IIASA (1998) e UN. EIA (2002)

7 Evolução da Estrutura Interna Brasileira da Oferta de Energia Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

8 O Moderno Conceito de Biorrefinaria

9 Refinaria vs. Biorrefinaria REFINARIA BIORREFINARIA Biorrefinaria é a integração de conversão de biomassa, processos e equipamentos para produzir combustíveis, energia, e produtos químicos Fonte: Status Report Biorefinery (2007)

10 Conceitos Biorrefinagem: É o processamento da biomassa em uma gama de produtos comerciais e energia, de maneira sustentável Biorrefinaria: É uma unidade industrial que integra equipamentos e processos de conversão de biomassa, para produzir combustíveis, energia, materiais e produtos químicos

11 O Modelo da Petroquímica 42% do valor do petróleo resulta da conversão de apenas 4% dessa matéria-prima em produtos químicos, borracha, plásticos, polímeros em geral, etc. Dos 96% restantes, 70% é convertido em combustíveis líquidos gerando outros 43% do valor do petróleo. Os outros 26% são usados para gerar óleo combustível, asfalto, óleos para aquecimento, betume e outros produtos de baixo valor agregado, produzindo os restantes 15% do valor total do petróleo.

12 O Modelo da Petroquímica Sozinha, a venda de gasolina, óleo diesel, querosene de aviação, etc. não é suficiente para garantir lucratividade, mas é vital para assegurar a lucratividade da refinaria de petróleo. Similarmente, calor, energia e biocombustíveis não devem ser vistos como garantia de lucratividade de uma biorrefinaria; existe a necessidade de se ter produtos de alto valor agregado obtidos de pequenas quantidades de biomassa.

13 Porque a Indústria de Polpa Celulósica? Tem grande experiência nas operações de produção, colheita, transporte e armazenamento de grandes volumes de biomassa; Tem experiência e infra estrutura para processamento químico de biomassa, dentro de padrões e normas internacionais; Está localizada em áreas rurais e pode obter importantes sinergias entre madeira e resíduos da agricultura (gramíneas);

14 A indústria de Celulose como Biorrefinaria?

15 Borregaard Biorefinery - Sarpsborg (Norway)

16 De uma Indústria de Celulose para uma Biorrefinaria Integrada

17 Matérias Primas

18 Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007) Ocupação Territorial Brasileira

19 Oferta de Biomassa no Brasil em / Considerou-se na conversão 1 bep = 5,95 GJ; 2/ Licor negro com concentração entre 75 e 80% de resíduos sólidos 3/ Resíduos de madeira da indústria de celulose: Lenha, cavaco e cascas de árvore; 4/ Diferença entre a quantificação teórica da produção potencial nas áreas ocupadas pela silvicultura e o consumo de madeira em tora para uso industrial oriundo de florestas plantadas. Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

20 Expansão da Produção Brasileira de Cana-de-Açúcar e Derivados Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 (2007)

21 Madeira versus não-madeira? Madeira não compete com a cadeia alimentar; Madeira pode ser altamente produtiva: 1ha de madeira produz 9500 L de etanol 1 há de milho produz 3400 L de etanol 1 ha de cana produz 8000 L de etanol (desconsiderando palha e bagaço) A madeira é mais eficiente quanto a emissão de gases de efeito estufa (usa menos combustíveis fósseis na produção e processamento).

22 Madeira versus não-madeira? Armazenamento no tronco ( living inventory) Baixo custo de armazenamento Baixa perda por degradação Colheita durante todo o ano Menor infra estrutura e capital para colheita e transporte Rotação multianual Menor área plantada por ano Períodos longos com pouco distúrbios na plantação (fertilização, irrigação, colheita, etc.) - menor impacto ambiental Mercado bem estabelecido Sistema de produção sustentável bem estabelecido Sistema de colheita e transporte muito desenvolvido

23 Classificação das biorrefinarias quanto a matéria-prima Biorrefinarias Verdes: principalmente gramíneas ex: cana-de-açúcar, sorgo sacarínico, etc.); Biorrefinarias de Cereais: cereais tais como trigo, arroz, centeio, cevada, milho, etc.; Biorrefinarias de Lignocelulósicos: fracionamento de biomassas lignocelulósicas (celulose, hemiceluloses e ligninas); Biorrefinarias Marinhas: Macro e microalgas capazes de acumular significante quantidades de bio-produtos (óleos, carboidratos, amido, proteínas, etc.).

24 Biorrefinarias Considerações Finais Consumo de Energia- Comparação de Biomassas

25 Composição Química da Biomassa de Lignocelulose % % %

26 Processos de Biorrefinaria

27 Duas Importantes Plataformas para Conversão da Biomassa Amido Hidrólise do Amido Açúcares Fermentaveis Pre-tratamentos Biomassa Lignocelulósica Hidrólise da Celulose Fermentação de Açúcares Glicose Açúcares C6 Açúcares C5 Resíduo de Lignina Conversão Termo-Química Etanol Químicos Calor e eletricidade Combustíveis/químicos Bio-óleo Syn Gas

28 Rota Bioquímica para Produção de Etanol Enzimas Levedura Aumento da área de Superfície Quebra de polisacaríedeos em açúcares Biomassa Pré-tratamento Hidrólise Enzimática Fermentação Conversão de açúcares em etanol Lignina Calor e Energia Geração de Energia Vapor Destilação Etanol

29 Biocombustíveis Processos de Conversão Térmicos

30 Biocombustíveis Fast Pyrolysis Decomposição térmica na ausência de oxigênio. É sempre a primeira etapa nos processos de combustão e gasificação. Tecnologia conhecida na produção do carvão.

31 Biocombustíveis Bio-óleo Aplicações do Bio-óleo:

32 Produtos da Biorrefinaria

33 Classes de Produtos da Biorrefinaria Biocombustíveis Sólidos (Coque, lignina, bagaço) Líquido (Etanol, metanol, óleo combustível) Gasoso (gás de síntese, metano, Hidrogênio) Bioquímicos Carvão ativado, aditivos de combustíveis, fenóis e furfural,óleos e ácido acético, surfactantes, agroquímicos. Biomateriais Óleos, pigmentos e tintas, vernizes, detergentes e desifetantes, adesivos industriais, biopolímeros e filmes, materiais compostos

34 Classificação Quanto à Geração Geração Matéria-Prima Produtos Primeira Geração Segunda Geração Açúcar, amido, óleo vegetal, ou gordura animal Plantações nãoalimentos, palha de trigo, milho, madeira, lixo sólido, plantações para fins energéticos Bioetanol, óleo vegetal, biodiesel, biosyngas, biogas Bioetanol, bio-óleo, bio- DME, bio-hidrogênio, Bio-Fischer-Tropsch diesel Terceira Geração Algas Óleo vegetal, biodiesel Quarta Geração Óleo vegetal, biodiesel Bio-gasolina

35 Biocombustíveis Algumas Observações Primeira geração: Principalmente amido e sacarose como matéria prima Capacidade de ser misturado com combustível derivados do petróleo, combustão nos motores existentes, pode ser distribuído na infraestrutura existente e ser usado em veículos FFV (Flexible Fuel Vehicle). Preocupação sobre impacto ambiental e balanço de carbono Principal desvantagem: Debate alimentos vs combustível (aumento de preço dos alimentos) Segunda geração: Materiais lignocelulósicos como matéria-prima Não compete com alimentos (?) Baixo custo e abundante Atualmente não-rentável devido à um número de barreiras técnicas.

36 Biocombustíveis Ethanol

37 Biocombustíveis Ethanol

38 Biocombustíveis Ethanol

39 Biocombustíveis Biodiesel Produção Biodiesel Mundial Fonte: OECD-FAO (2008)

40 Biocombustíveis Biodiesel Matérias-Prima Utilizadas para Produção de Biodiesel Fonte: ANP (2011)

41 Biocombustíveis Biodiesel Produtividade média por hectare Oleaginosa Litros por hectare Babaçu a dendê/palma a pinhão manso a Pequi a macaúba a Soja 400 a 650 girassol 800 a mamona 400 a amendoim 800 a Algodão 250 a 500 colza/canola 650 a 1000

42 Biocombustíveis Biodiesel Produção de Biodiesel

43 Biocombustíveis Lignina Produtos da Lignina Fonte: STFI- Packforsk

44 Bioquímicos

45 Biomateriais Natural Fibre Reinforced Plastics Wood-Plastic Composites

46 Biorrefinarias Considerações Finais Desafios da Biorrefinaria Econômicos e barreiras tecnológicas: Colheita da biomassa, transporte e estocagem Tecnologias de conversão da biomassa, pré-processamento Alto valor, grande volume de co-produtos Impactos ecológicos e ambientais: Uso da terra Sustentabilidade Biodiversidade