OS COMBUSTIVEIS ALTERNATIVOS LIQUIDOS E GASOSOS Kamal A. R. Ismail Fátima Aparecida de Morais Lino Jose Carlos Charamba Dutra Ana Rosa Mendes Primo Jorge Recarte Henríquez Guerrero Armando Shinohara Carlos K. Suzuki i
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OS COMBUSTIVEIS ALTERNATIVOS LIQUIDOS E GASOSOS Kamal A. R. Ismail Fátima Aparecida de Morais Lino Jose Carlos Charamba Dutra Ana Rosa Mendes Primo Jorge Recarte Henríquez Guerrero Armando Shinohara Carlos K. Suzuki iii
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP 662.6 C733 Os combustíveis alternativos líquidos e gasosos / Kamal Abdel Radi Ismail.... [et al.]. Campinas, SP.: Ed. do Autor, 2010. 150p. ISBN 978-85-909242-8-9 1. Combustíveis. 2. Energia Fontes alternativas. 3. Biocombustíveis. 4. Proteção ambiental. I. Ismail, Kamal Abdel Radi. II. Título. iv
Agradecimentos Os autores desejam expressar seus profundos agradecimentos à CAPES pelo apoio na forma do PROCAD que foi de grande valia para ambas as instituições (UFPE e UNICAMP). Os agradecimentos dos dois primeiros autores se estendem também ao CNPQ pela bolsa de produtividade em pesquisa do primeiro e pela bolsa de doutorado do segundo. Um agradecimento especial à segunda autora pela revisão técnica e correções incorporadas no texto. v
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Prefácio Esta obra foi elaborada para atender a equipe PROCAD em suas necessidades de obter rápida consulta de forma prática e objetiva nos assuntos relacionados aos projetos em desenvolvimento sobre energia. Atende também à necessidade dos alunos vinculados ao programa a desenvolver seus projetos. O conteúdo da obra pode, inclusive, ser utilizado para oferecimento de disciplinas em nível de graduação e também para profissionais que se interessam por assuntos relacionados aos temas abordados. vii
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CONTEÚDO CAPÍTULO 1 OS COMBUSTÍVEIS E A PROTEÇÃO AMBIENTAL 1.1 Introdução Geral 1 1.1.1 Os parâmetros que afetam o consumo de combustíveis 3 1.1.2 Caminhos para a redução do consumo de combustíveis 6 1.1.3 Comparação entre as variantes de diesel e gasolina 10 1.2 Consumo de combustíveis dos veículos comerciais 11 1.2.1 Os vários tipos de veículos 11 1.2.2 Fatores que afetam o consumo de combustível 11 1.3 Emissões evaporativas de hidrocarbonetos 12 1.3.1 As perdas evaporativas antes do abastecimento 12 1.3.2 As perdas evaporativas durante o abastecimento 12 1.3.3 As perdas evaporativas dos veículos 13 1.4 Emissões do tubo de exaustão 16 1.4.1 O efeito das condições de operação sobre as emissões convencionais 18 1.5 Tecnologias para redução das emissões de tubo de escape dos gases 20 1.5.1 Redução das emissões na fonte 20 1.6 Tratamento dos gases de exaustão com conversores catalíticos 23 1.6.1 Catalisador de três vias 23 1.6.2 Catalisador oxidador de diesel 29 1.7 Filtros de particulados 32 1.7.1 Tecnologias de filtragem 33 1.7.2 Regeneração de filtro de particulados 34 1.8 Gasolina e a formação de ozônio 37 1.9 Comparação das emissões dos motores a gasolina e diesel 39 1.9.1 As emissões diretas 40 1.9.2 As emissões secundárias 41 1.10 Os combustíveis e os gases de efeito estufa 41 1.10.1 A natureza do fenômeno 41 1.10.2 A contribuição relativa das diversas atividades 43 1.10.3 A contribuição de sistemas de transporte 43 1.11 Comparação das contribuições da gasolina e diesel 43 CAPÍTULO 2 COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS GASOSOS 2.1 Disponibilidade e mercado 45 2.2 Características e especificações 46 2.3 Adaptação do veículo 48 2.3.1 Sistemas de combustível 48 2.3.2 Instalação de um sistema de combustível 49 2.3.3 Tanques de combustíveis 49 2.4 Balanço de energia e ambiental do GLP 49 2.4.1 Desempenho do veículo 49 2.4.2 Emissões 51 2.4.3 Uma visão promissora por um mercado limitado 52 2.5 Experiência atual 53 2.5.1 Possíveis métodos de armazenamento e de distribuição 53 2.5.2 A frota global de NGV 55 2.6 As características de NGV 55 2.6.1 Composição química 55 2.6.2 Conteúdo energético 55 2.6.3 Índice de Wobbe ( W ) 55 2.6.4 A combustão do NGV nos motores 56 2.7 As tecnologias associadas com o NGV 57 2.7.1 Armazenamento e distribuição do NGV 57 2.7.2 Sistema de distribuição 58 ix
2.7.3 Estratégias de combustão 58 2.7.4 Sistemas de fornecimento de combustível 59 2.8 Energia e o balanço ambiental do sistema do NGV 61 2.8.1 Custos de energia associados com a implementação do NGV 61 2.8.2 Desempenho do motor 61 2.8.3 Efeito estufa 63 2.9 Tendências no uso do CNG 64 CAPÍTULO 3 COMBUSTÍVEIS ALTERNATIVOS LÍQUIDOS 3.1 Características específicas do metanol e éteres metílicos 65 3.2 A adição de metanol a gasolina 66 3.2.1 Estabilidade na presença de traços de água 66 3.2.2 Aumento da volatilidade 66 3.2.3 Comportamento de materiais 67 3.2.4 O estado atual do uso do metanol 67 3.3 A adição do MTBE 67 3.3.1 Uso atual e previsto do MTBE 68 3.4 Combustíveis de alto conteúdo de metanol 68 3.4.1 Viabilidade tecnológica 68 3.4.2 Emissões 69 3.5 O uso do MTBE puro 71 3.6 A história dos biocombustíveis 71 3.6.1 Etanol 71 3.6.2 Óleos vegetais 71 3.6.3 Biocombustíveis na Europa 72 3.7 Produção e uso de biocombustíveis 72 3.7.1 Etanol e ETBE 72 3.7.2 Mistura acetona butanol 77 3.7.3 Os óleos e os produtos de transesterificação 77 3.8 O futuro dos biocombustíveis 83 3.8.1 As características energéticas 84 3.8.2 Os aspectos ambientais 84 3.8.3 Os aspectos econômicos 84 3.8.4 Os aspectos geopolíticos 85 CAPITULO 4 PRODUÇÃO DE ÁLCOOL NO BRASIL 4.1 Introdução 87 4.2 Produção de Etanol 87 4.2.1 Vias de Obtenção 87 4.3 Máterias-primas, Composições e Conservação 87 4.3.1 Composição de Matéria-prima 88 4.4 Preparação dos Substratos 88 4.4.1 Preparo do Mosto de Caldo de Cana de Açúcar 88 4.5 Agente de Fermentação Alcoólica 88 4.5.1 Exigências Nutricionais 88 4.5.2 Temperatura 88 4.5.3 Reação do Meio 88 4.5.4 Anticéptico 89 4.5.5 Antibiótico 89 4.6 Correção dos Mostos 89 4.7 Preparo do Inoculo 89 4.8 Fermentação 89 4.8.1 Prática de Fermentação Alcoólica 89 4.9 Verificação Prática da Pureza das Fermentações 89 4.10 Fermentação Alcoólica Contínua 90 4.11 Produtos Secundários da Fermentação Alcoólica 91 4.12 Salas de Fermentação 91 4.13 Recipientes de Fermentação 92 4.14 Destilação 92 x
4.14.1 Destilação Descontínua 92 4.14.2 Destilação Contínua 93 4.14.3 Retificação 94 4.14.4 Prática de Retificação Industrial 95 4.15 Desidratação do Etanol 96 4.15.1 Processo de Desidratação com Emprego de Arrastadores 96 4.15.2 Processo de Absorvente Regenerável 97 4.15.3 Subprodutos 97 4.16 Utilização do Álcool Etílico em Motores de Combustão Interna 98 4.17 Vantagens do Álcool Etílico em Relação à Gasolina 99 4.18 Inconvenientes do Álcool Etílico 100 4.19 Hidratação do Álcool Etílico 101 4.20 Motores de Ciclo Otto Alimentados dom 100% de Álcool Etílico 102 4.21 Utilização do Álcool como Combustível nos Motores do Ciclo Otto. 102 4.22 Desvantagens Técnicas da Utilização do Álcool como Combustível 103 CAPITULO 5 ÓLEOS VEGETAIS NO BRASIL 5.1 Introdução 105 5.2 Desempenho como Combustível em motores Diesel 105 5.3 Transformação em Produtos Semelhantes aos do Petróleo 107 5.4 Utilização como Lubrificantes 108 5.5 Aspectos Técnicos 109 5.6 Culturas Selecionadas 111 5.6.1 Óleo de Amendoim 111 5.6.2 Óleo de dendê 111 5.6.3 Óleo de Mamona 112 5.6.4 Óleo de Soja 112 5.6.5 Conclusões 112 Bibliografia 119 xi