AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA RENOVÁVEL DE BIOMASSAS ALTERNATIVAS PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE EVALUATION OF RENEWABLE ENERGY EFFICIENCY OF ALTERNATIVE BIOMASSES FOR ELECTRICITY GENERATION Katia Tannous 1, Rodrigo Allegretti Artioli 2, Vadson Bastos do Carmo 3 Abstract This work evaluates the renewable energy efficiency of alternative sources of biomasses as raw materials for a cogeneration system (steam and electricity) coupled with bioethanol production process from sugarcane during off-season. Agro-industrial residues, municipal waste and, energy plantation and forest were analyzed as biomasses. The technology chosen was the direct combustion coupled with traditional steam turbine (Rankine cycle) for obtaining electricity production. Relative renewable energy efficiency for each biomass was determined through the energy and emergy indices (transformity, renewability and emergy yield ratio) applying the Charnes, Cooper and Rhodes model and data envelopment analysis. The elephant grass planting and eucalyptus forest presented the greatest rates on energetic efficiency, which are recommended to replace sugarcane bagasse as raw material. Index Terms Electricity, emergy, energy, renewable resources INTRODUÇÃO O maior desafio da atualidade é a conciliação do desenvolvimento de uma matriz energética mais limpa com aquela baseada no uso de combustíveis fósseis. Isso exige uma readequação dos processos já estabelecidos e investimentos em potenciais biocombustíveis. O Brasil desempenha papel de destaque no cenário mundial na utilização de fontes alternativas para o aproveitamento energético. Dentre aquelas utilizadas estão o bagaço de cana-de-açúcar, resíduos de madeira, o licor negro e a casca de arroz [1]. Estima-se que 85% da energia elétrica gerada no país sejam de origem renovável, e somente 7% são provenientes de biomassas [2]. No Brasil o processo de produção de etanol de cana-deaçúcar contempla o aproveitamento energético de um subproduto ou resíduo, o bagaço da cana, o qual é utilizado em seus processos de conversão para geração de energia térmica na forma de vapor superaquecido e elétrica. No entanto, esta fonte de biomassa somente tem fornecimento no período da safra da cana-de-açúcar, estimada entre 180 a 210 dias/ano. Dependendo da usina, neste período, os equipamentos e instalações da usina e da geradora de energia ficam parados ou em manutenção, deixando de gerar os seus produtos convencionais, sendo estes: açúcar, etanol e a própria energia, que é consumida ou exportada para a rede de energia elétrica [3]. Por isso, para obtenção de energia elétrica adicional, em uma usina de cana-de-açúcar é preciso conhecer as principais propriedades das biomassas (físicas, químicas e energéticas), sua disponibilidade e o processo de conversão a ser implementado. A análise emergética é um método que pode ser usado para a avaliação energética de diferentes processos ou sistemas, permitindo incluir aspectos relativos às mudanças ambientais e utilização de recursos naturais do ciclo de vida de um produto. Este ciclo considera a soma da energia total, direta ou indiretamente incorporada nas formas de energia renovável e não renovável dos materiais (equipamentos, instalações, insumos), trabalho humano e da natureza (sol, chuva, vento), necessários para produzir um dado bem ou serviço [4] [5] [6]. A unidade associada a grandeza emergia é Joules solares (sej/j). A equivalente solar de 1 joule de carvão é 40.000 emjoules solares e o equivalente solar de 1 joule de eletricidade é 160.000 emjoules solares. Segundo [7], a análise emergética interpreta o grau de dependência ou não de um sistema quanto à necessidade dos recursos da economia e da natureza, realizando um diagnóstico dos sistemas ou processos, dos quais seriam mais sustentáveis. Os recursos naturais (I), classificados em renováveis (R) e não renováveis (N), e os recursos da economia (F), sendo classificados em materiais (M) e serviços (S). Os recursos renováveis são provenientes do fluxo de energia que conduz os processos químicos e biológicos da natureza (sol, chuva, vento). Os recursos nãorenováveis são o estoque de energia e matéria-prima como minerais, solo e combustíveis fósseis. Os recursos da economia (F) são formados pela energia dos combustíveis, bens e serviços oriundos da atividade humana. A somatória das emergias dos recursos utilizados é a emergia total (Y). Com a finalidade de mesurar estes recursos de forma global no sistema, [7] definiu vários indicadores emergéticos. Dentre estes se citam: Transformidade (Tr), Razão de 1 Katia Tannous. Professora Doutora da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas, katia@feq.unicamp.br 2 Rodrigo Allegretti Artioli. Aluno de graduação da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas, raartioli@gmail.com 3 Vadson Bastos do Carmo. Professor Doutor do Centro Universitário Salesiano de São Paulo, vadsonbastos@gmail.com DOI 10.14684/SHEWC.15.2015.100-104 100
Rendimento Emergético (EYR), Razão de Investimento Emergético (EIR), Razão da Carga Ambiental (ELR), Porcentagem de Renovabilidade (%R), e Razão de Intercâmbio Emergético (EER). Por isso, o objetivo deste trabalho é avaliar a eficiência energética renovável de fontes alternativas de biomassas (resíduos agroindustriais, resíduos urbanos e, plantios e florestas energéticas) em um processo integrado à produção de etanol de cana-de-açúcar no período de entressafra, por meio da análise de indicadores energéticos e emergéticos e aplicação da análise envoltória de dados. MATERIAIS E MÉTODOS Usina de Referência A usina industrial utilizada como referência para este estudo foi aquela na qual a geração de energia elétrica está integrada à produção de etanol e açúcar [3]. Esta usina convencional (180 dias de operação/ano) utiliza como fonte de biomassa o próprio resíduo, o bagaço da cana-de-açúcar. Portanto, esta matéria-prima somente está disponível no período da safra da cana-de-açúcar. Nesta usina a potência gerada com o aproveitamento do bagaço de cana-de-açúcar é capaz de suprir as necessidades de energia do processo de produção de etanol e gerar excedente. Isto é, a partir da moagem de 50 t /h da cana-deaçúcar são gerados 136,8 t/h de bagaço de cana-de-açúcar produz 170 t/h de vapor (caldeira). O vapor superaquecido é conduzido para um turbo-gerador obtendo uma potência de 69,9 MW, sendo 19,2 MW destinados aos processos de produção de etanol e 50,7 MW são excedentes para fornecimento à rede de distribuição de energia elétrica [3]. Neste estudo, a proposta foi a utilização de outra fontes de biomassa para o período de entressafra da cana-de-açúcar como alternativa para a geração energia elétrica excedente, podendo ser disponibilizada à rede de distribuição, bem como fonte de geração de receita para a usina. Para isso, considerou-se a operação da usina o adicional de 180 dias/ano. Tabela II, PCI (kj/kg) = 4,187(81C+300H- 26(O-S) - 6(W+9H)) (1) na qual C, H, O, S e W correspondem aos teores percentuais de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre, e umidade da amostra, respectivamente. As únicas excepcionalidades com relação ao PCI foram da poda de árvores [12] e capim elefante [13]. A energia disponível (E) foi obtida pela multiplicação da produtividade (M) disponível de cada biomassa, pelo respectivo poder calorífico inferior (PCI), conforme (2) apresentado na Tabela I. TABELA I INDICADORES ENERGÉTICO E EMERGÉTICO Sigla Definição Equação E Energia disponível (J) E = PCI.M (2) Y Emergia utilizada (sej/j) Y = I+F (3) Tr Transformidade (sej/j) Tr = Y/E (4) %R Renovabilidade (%) %R = R/Y (5) EYR Razão do Rendimento Emergético EYR = Y/F (6) Determinação dos Indicadores Emergéticos Cada biomassa teve todo seu ciclo de produção mapeado mediante um diagrama sistêmico (Figure 1), considerando todos os fluxos de entrada e saída do processo de cultivo ou de recuperação de resíduos transformando-os em fluxos de emergia solar equivalente. Biomassas Selecionadas As matérias-primas selecionadas para o desenvolvimento deste trabalho foram escolhidas levando-se em consideração a natureza da biomassa e produtividade nas cinco regiões do Brasil (Tabela II), sendo estas: resíduos agroindustriais: bagaço de cana-de-açúcar [8], casca de arroz [9], madeira jequitibá-rosa [10], madeira caixeta [11]; resíduos urbanos: poda de árvores [12], fibra de coco [8]; plantio energético: capim elefante [13], [14]; floresta energética: eucalipto [15]. Assim como, o poder calorífico inferior (PCI) calculado através da análise elementar e do poder calorífico superior aplicados em (1) de [16], apresentado por [8] e listado na FIGURA 1 DIAGRAMA DA EMERGIA PARA A GERAÇÃO DE ELETRICIDADE A PARTIR DE BIOMASSAS EXEMPLO PARA O EUCALIPTO 101
UTD TABELA II PRODUTIVIDADE, INDICADORES ENERGÉTICOS E EMERGÉTICOS, E SUAS EFICIÊNCIAS ENERGÉTICAS Entrada Biomassa Produtividade (t/ha.ano) PCI (MJ/kg) (b.s.) E (*10 9 ) (J/ha) Y (*10 15 ) (sej/ha.ano) 1/M (ha.ano/t) Tr (*10 4 ) (sej/j) 1 Casca de arroz 1,24 12,23 1,52 17,4 0,808 114,74 9,35 1,13 2,7 2 Fibra de coco 7,77 14,41 111,89 4,76 0,129 4,254 34,04 1,52 57,0 3 Poda de árvore 0,26 9,00 2,34 14,2 3,876 606,8 11,43 1,17 0,6 4 Resíduo de madeira jequitibá-rosa 5,43 16,59 66,41 10,7 0,184 16,11 7,17 1,08 11,1 5 Resíduo de madeira caixeta 4,60 16,98 78,11 14,8 0,217 18,95 10,95 1,12 9,8 6 Eucalipto 25,42 16,55 420,70 9,74 0,0393 2,315 16,56 1,51 72,8 7 Capim-elefante 40,0 17,14 685,60 9,77 0,025 1,425 19,99 1,32 100 8 Bagaço da cana-de-açúcar 18,79 16,37 307,53 6,76 0,0532 2,198 24,99 1,35 81 R (%) Saída EYR (-) EERR (%) Em seguida, foi elaborada uma tabela para organização dos dados de cada linha de fluxo de energia de entrada ao diagrama, juntamente as transformidades de cada item, convertidas em uma unidade padrão (sej/ano). Procurou-se avaliar fontes de recursos naturais (I) renováveis, R (condições climáticas nas quais as biomassas foram cultivadas, como sol e chuva); recursos naturais não renováveis, N (ex.: perda de matéria orgânica do solo); recursos de serviços, S (ex.: despesas administrativas, mão de obra, tarifas e impostos) e recursos materiais, M (ex.: combustíveis, fertilizantes, aço para o maquinário, sementes), agrupados no chamado recursos da economia (F). Ao final, tem-se a emergia total (Y), associada a energia produzida (2), utilizada pelo sistema adotado (3), correspondente a soma de I com F. A Figura 2 ilustra de forma simplificada as contribuições no processo emergético adotado. A transformidade (Tr) é um índice que busca relacionar a energia gasta para produzir um determinado produto e energia contida no produto gerado, definido por (4). Altos valores de transformidade refletem um produto, que necessita de uma energia maior para ser produzida e/ou que não apresenta uma energia disponível em quantidades satisfatórias. A renovabilidade (%R) permite avaliar as contribuições provenientes de fontes naturais renováveis. Altos valores desse índice permitem afirmar, que o material em estudo é sustentável e causa poucos impactos no meio ambiente. É calculado por meio da porcentagem dos recursos renováveis da produção em relação a emergia total do processo, conforme (5). A razão de rendimento emergético (EYR) indica a viabilidade econômica do produto gerado para aqueles que o produziram. Defini-se por (6). Eficiência Energética Renovável Relativa FIGURA 2 DIAGRAMA GENÉRICO DE UM PROCESSO EMERGÉTICO [7] A análise emergética foi realizada mediante três indicadores: Transformidade (Tr), Renovabilidade (%R) e Razão do Rendimento Emergético (EYR), seguindo a definição de [7], apresentado na Tabela II. A análise envoltória de dados é um método não paramétrico de análise de eficiência de uma unidade ou processo, de forma alternativa aos métodos estatísticos tradicionais, mediante comparação entre unidades operacionais, chamadas de unidades tomadoras de decisão, UTDs [17] [18]. O modelo matemático aplicado neste trabalho foi o de Charnes, Cooper e Rhodes (CCR), no qual foram estabelecidas duas entradas e duas saídas, conforme esquema apresentado na Figura 3 e valores estabelecidos na Tabela II. Para as grandezas de entrada foram escolhidas a transformidade (Tr), e o inverso da produtividade de cada biomassa (1/M), e para a saída, aplicaram-se a renovabilidade (%R) e razão de rendimento emergético (EYR). A orientação estabelecida para o modelo foi a de minimizar as entradas. Desse modo, seriam consideradas mais eficientes as biomassas, que apresentassem as maiores produtividades, portanto as menores razões de 1/M, e as menores transformidades. 102
FIGURA 3 APLICAÇÃO DOS DADOS NO MODELO CCR A Equação (7) representa a eficiência energética renovável relativa (EERR) à cada unidade tomadora de decisão (UTD), EERR [ u1 %R u2 EYR]/[v1 (1/M) v2 Tr] (7) na qual, os u e v são os pesos ótimos correspondentes à cada UTD em estudo, que devem ser maiores ou iguais a zero. A Equação (7) deve seguir algumas restrições para que o modelo possa ser aplicado corretamente, sendo estas de duas formas. A primeira delas, é garantir que o denominador seja igual a 1, isto é eficiência máxima (8), e a segunda, é assegurar que o valor dessa razão seja menor ou igual a 1 (9), v 1 (1/M) + v 2 Tr = 1 (8) [u 1 %R + u 2 EY])/[v 1 (1/M)+v 2 Tr] 1. (9) Portanto, combinando as equações 8 e 9, tem-se a eficiência energética renovável relativa, EERR, em (10), EERR = u 1 %R + u 2 EYR (10) Um sistema de quatorze equações foi estabelecido e as eficiências das UTDs (biomassas) analisadas e comparadas. A resolução deste sistema de equações foi obtida por meio da utilização do programa Excel, versão 2007, juntamente com a ferramenta Solver, ajustada para assumir modelos lineares e valores positivos. RESULTADOS E DISCUSSÃO O levantamento de dados de produção para cada biomassa escolhida, juntamente com os indicadores energéticos e emergéticos podem ser vistos na Tabela II. Observa-se que, apesar dos PCIs dos resíduos das madeiras jequitibá rosa, caixeta, capim-elefante e bagaço de cana-de-açúcar estarem próximos, a energia disponível (E) está atrelada proporcionalmente a produtividade de cada biomassa. Por isso, a maior energia obtida foi a do capim-elefante, seguido pelo eucalipto. Com relação a emergia total (Y), observa-se que os resíduos agroindustriais (casca de arroz e bagaço de cana-deaçúcar) possuem comportamentos diferentes, em relação as suas energias acumuladas, devido as diferenças na estrutura do ciclo de produção das mesmas. Além disso, observa-se que o resíduo urbano da fibra de coco foi a menor deles. Isto se deve ao fato de considerar o coco verde resíduo obtido nas regiões de lazer da cidade Campinas, SP, acarretando menores gastos com transporte, tarifas e insumos, possibilitando utilizá-lo em casos de exportação dessa matéria-prima. O menor valor de transformidade foi o do capimelefante atribuído a sua maior produtividade, elevando desse modo a energia disponível para essa biomassa. Sua maior disponibilidade implica em uma razão 1/M baixa, o que garante que esta biomassa necessite de menores quantidades de insumos para produzir melhores resultados. A fibra de coco apresentou valores de renovabilidade mais elevados que o capim elefante e o bagaço. Isso pode ser explicado pelo maior valor de recursos naturais empregados no ciclo de produção desta biomassa. Os indicadores da fibra merecem ser ressaltados, visto que se trata de uma produção significativa e sustentável. O eucalipto e a fibra de coco apresentaram um valor de rendimento emergético (EYR) superior ao do bagaço de cana de açúcar (resíduo agroindustrial) e capim-elefante (plantio energético), apesar das procedências dos resíduos serem distintas. Justifica-se que o eucalipto, por ser uma matéria-prima de interesse na indústria de papel e celulose, não se trata de uma cultura majoritariamente mecanizada e nem de um gênero alimentício, levando a uma menor dependência das contribuições econômicas (maquinário, mão de obra, fertilizantes de modo geral) no ciclo de produção. Com relação ao coco, trata-se também de uma cultura não mecanizada, mas de um gênero alimentício e disponível em quantidades bastante significativas nos grandes centros. Com a aplicação do modelo CCR na análise envoltória de dados, considerou-se o melhor aproveitamento do uso da terra, ou seja, a menor quantidade de massa de biomassa por hectare, e suas características relacionadas ao uso dos recursos naturais e renováveis. As biomassas classificadas foram de acordo com a eficiência energética renovável relativa, das quais, capim-elefante (100%) e eucalipto (72,8%) obtiveram os melhores resultados próximos ao do bagaço da cana-de-açúcar (Tabela II). Ressalta-se que a fibra de coco apresentou bons resultados dos índices emergéticos, no entanto obteve uma eficiência intermediária, devido principalmente a sua baixa produtividade (Tabela II). 103
Com relação às madeiras residuais de indústrias moveleiras (Tabela II), suas eficiências foram baixas quando comparadas as biomassas citadas acima. Isso se deve a baixa produtividade das mesmas e aos índices emergéticos também inferiores. A poda de árvore apresentou a menor eficiência visto que, em geral, é derivada de espécies florais e frutíferas plantadas no meio urbano, apresentando baixo poder calorífico. O baixo desempenho da casca de arroz está relacionada ao seu alto teor de cinza (16,32%) [8] provocando um baixo poder calorífico, à sua baixa produtividade (30% da produção de arroz), e a alta energia necessária para sua produção. CONCLUSÕES Neste estudo foram apresentados fontes de biomassas alternativas (resíduos de processos agroindustriais, resíduos urbanos, plantios e floresta energética) para a geração de eletricidade, em substituição aos combustíveis fósseis, para uma usina com produção integrada de etanol e energia elétrica. Aspectos importantes para as análises energéticas foram abordados destacando-se o uso da emergia e seus indicadores relacionando-os à renovabilidade e sustentabilidade (%R, EYR) dos processos de produção. O modelo de Charnes, Cooper e Rhodes (CCR) foi aplicado considerando o melhor aproveitamento do uso da terra, ou seja, a menor quantidade de massa de biomassa por hectare, e suas características relacionadas ao uso de recursos naturais e renováveis. Mediante a análise envoltória dos dados, classificaram-se as biomassas de acordo com a eficiência energética renovável relativa, recomendando o capim-elefante e eucalipto em substituição ao bagaço da cana-de-açúcar. Enfim, estes resultados mostraram que há potencialidades de matérias-primas alternativas de biomassas mais sustentáveis no Brasil para geração de energia elétrica e que podem contribuir com a redução dos impactos ambientais. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES e CNPq pelo apoio financeiro. 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