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1 COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº Uso de bagaço de cana para finalidades energéticas Ademar Hakuo Ushima Palestra apresentada no CICLO DE PALESTRAS DE ENGENHARIA MECÂNICA, 2017, Manuá. A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP São Paulo SP Brasil CEP Tel /4000 Fax

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3 Uso de bagaço de cana para finalidades energéticas MSc. Ademar Hakuo Ushima Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT Laboratório de Engenharia Térmica

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8 Gerhard Ett - gett@ipt.br

9 Cana-de-açucar Saccharum spp Cada tonelada de cana 570 kg água 140 kg de bagaço 70 kg de palha no caule 70 kg de palha na ponteira 150 kg de açúcares 280Kg biomassa seca Produtividade: 70 a 100 tcana/hec/ano; 650 milhões tcana 2016 Gerhard Ett - gett@ipt.br

10 Esquema geral da produção de açúcar e etanol a partir da canade-açúcar

11 SITUAÇÃO ENERGÉTICA DO SETOR AÇÚCAR E ÁLCOOL Consumo de vapor d`água ~530 kg vapor/ tcana 11 ton. cana 85 l álcool 140 kg bagaço seco 7 % 0,042 TEP 0,004 TEP Autônoma 28,8 % de aproveitamento energético (18,2 % Anexa) 0,160 TEP 140 kg palha seca 2,1 kwh 0 % 0 TEP 650 milhões tc/ano >19,0 milhões TEP/ano ( 60 % álcool e 40 % açúcar ) Consumo brasileiro energia primária: 255 milhões TEP ( 7,5 % ) BEN 2016 Consumo brasileiro petróleo + GN: 124 milhões TEP ( 15,3 % ) BEN 2016

12 Medidas existentes comercialmente para otimização energética das Usinas Evaporadores de açúcar mais eficientes (maior número de efeitos); Caldeiras com maior pressão e mais eficientes (leito fluidizado etc.); Sistemas de separação de álcool por membranas em substituição a colunas de destilação; Teores de açúcar mais elevados nos fermentadores etc.

13 CENÁRIO APÓS OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DO SETOR AÇUCAR E ÁLCOOL Redução consumo de vapor de 530 kg/t cana para 340 kg/t cana 85 l álcool 0,042 TEP 11 ton. cana 0,16 TEP 140 kg bagaço seco 140 kg palha seca 1 m 3 vinhaça 50 % 50 % 6,3 m 3 GN 0,0275 TEP 0,0274 TEP 0,0055 TEP 64 % de aproveitamento energético (53,5 % anexa) 650 milhões t/ano > 55 milhões TEP/ano ( 60 % álcool e 40 % açúcar ); Potencial de aproveitamento adicional de 36 milhões TEP/ano que representa: 14,1 % consumo brasileiro energia primária; 29,0 % consumo brasileiro petróleo + GN;

14 Ciclo vapor simplificado típico em Usinas de açúcar e álcool Bagaço 137,3 MWt 67 bar; 510 o C; 140,55 t/h Total E. El. Gerada = 28,50 MWe 15,82 MWe TE 12,68 MWe TC 92 t/h 2,5 bar; 164 o C 48,6 t/h Vapor processo; 80,14 t/h Desaerador Condensado 0,10 bar; 46 o C

15 CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 85 lt álcool 0,042 TEP 11 ton. cana 140 kg bagaço seco 50 % 24,3 % PCS Energia Elétrica 184 kwh 0,16 TEP 140 kg palha seca 50 % 1 m 3 vinhaça 6,3 m 3 GN 650 milhões tc/ano >adicional de 119 TWh ou 13,7 GW ; Potencial de geração que representa 19,2 % da oferta interna de energia hidráulica em 2016; (BEN 2017)

16 CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL COM HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE DO BAGAÇO E PALHA (2G) 85 l álcool 0,042 TEP 11 ton. cana 140 kg bagaço seco 50 % 40 % (l/kg) Hidrólise enzimática 56 l Etanol 0,16 TEP 140 kg palha seca 50 % 0,028 TEP 1 m 3 vinhaça Potencial de elevação de geração de álcool em 66 % sem aumentar 1 cm 2 de área plantada; Rendimento energético de 47,2 %; 6,3 m 3 GN 0,0055 TEP Raizen (Costa Pinto Piracicaba: 40 milhões l etanol/ano; investimento R$ 230 milhões; operando desde 2015)

17 COMPACTAÇÃO Peletizadora vertical de matriz plana COSAN

18 CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL COM TECNOLOGIA DE COMPACTAÇÃO 11 ton. cana 0,16 TEP Peletes 85 lt álcool 140 kg bagaço seco 140 kg palha seca 50 % 50 % 0,042 TEP 90 % (kg/kg) 126 kg Compactação Péletes 0,050 TEP 1 m 3 vinhaça 6,3 m 3 GN 0,0055 TEP 650 milhões tc/ano 81,9 milhões t. péletes/ano (consumo europeu: ~15 milhões/ano;~170 U$/t FOB ou 130 U$ CIF) Rendimento energético de 60,9 %, próximo do máximo (64%); COSAN BIOMASSA; t/ano; palha e bagaço de cana; Jaú

19 Rotas de gaseificação para geração de gás de síntese a partir do bagaço cana Pretratamento Gaseificação Tratamento gases Rota leito circulante O2 Filtragem a quente Reforma metano Bagaço e palha de cana Peletização Torrefação Gaseificador leito fluidizado circulante: ~100 MW (20 t/h) Recuperação de calor Compressão Recuperação calor Shift CO Remoção CO2 e H2S Gás de síntese CO + H2 Filtragem a frio Rota leito arraste Pirólise rápida O2 Gaseificador fluxo arraste: > 100 MW

20 GÁS DE SÍNTESE : REFINARIA DE BIOMASSA NREL/TP Dec 2003

21 Large Scale Experiment bioliq bioliq demonstration unit and research platform for synthetic fuel and chemicals: Pyrolysis Gasification Synthesis (metanol) Karlsruhe Institute of Technology ; Germany

22 CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL COM TECNOLOGIA BTL -- REFINARIA DE BIOMASSA 85 lt álcool 0,042 TEP 11 ton. cana 0,16 TEP 140 kg bagaço seco 140 kg palha seca 50 % 50 % 45 % (kg/kg) 63 kg Síntese Metanol 0,032 TEP 1 m 3 vinhaça 6,3 m 3 GN 0,0055 TEP Potencial de elevação de geração de álcool em 76 % sem aumentar 1 cm 2 de área plantada (aproveitamento energético de 49,7 %); Potencial de geração de outros combustíveis líquidos renováveis como etanol, óleo diesel, dimetil éter ou produtos como parafinas, amônia etc.

23 CCS: CO2 Capture and Storage Fonte: CO2GeoNet-ebook-web.pdf

24 TECNOLOGIA BECCS: Bioenergy with CO2 Capture and Storage CO2 CO2 Fonte: publicação IPT No 3002 (2005)

25 Caso demonstração: Bacia ILLINOIS, EUA: Projeto DECATUR; Usina de etanol a partir de milho; Injeção de 1 milhão de tco2 de 2011 a 2014 ; Profundidade de injeção~2100m; Pressão injeção: 9,3 Mpa; Capacidade estocagem de CO2 da bacia: 12 a 172 bilhões de tco2;

26 Localização das usinas em operação e planejadas no país Localização de áreas em São Paulo com potencial para armazenagem de GN e CCS Fonte: Publicação IPT 3002 (2005)

27 Emissões de CO 2 estimados na produção de etanol hidratado Etanol CO 2 emitido na produção sem CCS da fermentação (kg/l) CO2 emitido na produção com CCS da fermentação (kg/l) CO2 emitido na produção com CCS da fermentação e gaseificação (kg/l) Hidratado 0,257 (1) -0,497-2,528 (2) (1) Fonte: PhD Seabra, 2008, (2008); Unicamp; (2) (2) Base Base cálculo: cálculo:0,7 kg de CO2/kg CO2/kg biomassa biomassa seca seca gaseificada gaseificada Custo CCS fermentação: elevação custo etanol em ~3,5% (CAPEX+OPEX) Fonte: Moreira et all, Beccs potential in Brazil: Achieving negative emissions in ethanol and electricity production based on sugar cane bagasse and other residues ; Elsevier; Applied Energy, 2016

28 Grande potencial de sequestro de CO2 associada à Tecnologias CCS Carbon Capture and Storage Rota leito circulante O2 Filtragem a quente Reforma metano Peletização Gaseificador leito fluidizado circulante: ~100 MW (20 t/h) Recuperação de calor Compressão Shift CO Remoção CO2 e H2S Gás de síntese Bagaço e palha de cana Torrefação Recuperação calor Filtragem a frio Rota leito arraste Pirólise rápida O2 Gaseificador fluxo arraste: > 100 MW CO2 da fermentação CCS

29 Futuro das Usinas: Biorrefinarias fertilizantes Cana-de-açúcar vinhaça levedura cachaça energia novos produtos biodiesel biogás gás natural etanol hidrogênio alcoolquímica DME açúcar novos produtos hidrogenio bagaço e palha energia gaseificação etanol polímeros PHA gás de síntese diesel NH 3 metanol

30 Grato pela atenção! Contato: Ademar H. Ushima Tel.: