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Aproveitamento da Biomassa da Cana para a Produção de Energia

Fernando JG Landgraf

Diretor de Inovação do IPT

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Instituição centenária, vinculada ao Governo do Estado de São Paulo.

Provê soluções tecnológicas para empresas e instituições públicas e privadas.

Em 2011 teve faturamento anual de R$88 milhões.

Agroindústria é parceiro importante.

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Vemos biomassa como grande oportunidade

Em 2010,

A safra de cana

produziu 120 Mt

de bagaço e palha

secos.

Em 2011 faltou

bagaço.

Como estaremos em 2020?

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As oportunidades

Uma usina sucroalcooleira de 4Mt cana tem que lidar com 800.000 t biomassa seca/ano.

Já existem usos bem estabelecidos, mas é importante avaliar alternativas para as novas usinas:

Rota bioquímica para produzir etanol a partir do bagaço: a hidrólise enzimática e

Rota termoquímica para produzir gás e dele energia elétrica, vapor, biocombustíveis e monômeros.

• Essas duas rotas concorrem na pesquisa, mas podem vir a ser usadas conjuntamente

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DoE Biomass Multiyear Program

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IPT atua nas duas: Tem projetos de hidrólise enzimática

Tem projetos de gaseificação

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Google Scholar mostra a competição (outubro de 2011)

Enzymatic hydrolysis

Biomass gasification

Desde 2006 Todas páginas 62.000 16300

Em portugues 9.400 813

Brasil tem investido muito mais na hidrólise enzimática do que na gaseificação. Não confundir gaseificação com biogas (de biodigestor)

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Processamentos da biomassa

Processos bioquímicos

Processos termoquímicos

Combustão total

Torrefação (240oC)

Pirólise rápida (400o C)

Carvoejamento (500o C)

Gaseificação a 900oC • Leito fixo ou leito fluidizado

Gaseificação a 1200o C (fluxo de arraste)

Em cada um desses, Dezenas de alternativas

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O que é a gaseificação de biomassa

É queimar o bagaço e a palha com pouco oxigênio,

de forma autotérmica

de maneira a obter um gás

contendo principalmente CO + H2.

Esse gás é reativo,

Pode ser queimado numa turbina para gerar EE

Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em

• Biocombustíveis: biodiesel, metanol, etc

• Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio.

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Alternativas tecnológicas da gaseificação dependem da alimentação

Se for líquido ou pó fino: Num maçarico

confinado

Se for sólido:

Numa cama de areia

Fluxo

de

arraste

Leito fluidizado (modelo Siemens) 11

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Principais processos de gaseificação

Escolha depende de:

Qual a escala mais adequada?

Quais os produtos desejados?

150 kt/ano 1500 kt/ano 12

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A aposta do IPT: a gaseificação por fluxo de arraste

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Razões da escolha

Maior versatilidade de produtos: vapor, energia elétrica, gás, biocombustíveis, monômeros.

Gás exige menos limpeza do que o leito fluidizado, por não ter alcatrão.

GFA pode processar todo bagaço e palha de uma usina de 4Mtpa: 800.000t/ano.

Tem potencial de viabilidade econômica em grande escala.

Processo é comercial, pelo menos para carvão mineral.

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Haverá bagaço e palha para isso?

Só nos “green fields”, nas novas usinas.

Como o desenvolvimento das tecnologias só maturará em 7-10 anos, falamos de 2020.

Mas quanto crescerá o setor?

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Crescimento da colheita brasileira de cana

0

100

200

300

400

500

600

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Co

lhe

ita

can

a (M

t/an

o)

ano

5% a.a. colheita de cana (dados Unica)

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Tomando uma perspectiva longa, taxa de crescimento anual média é 5%

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Potencial para plantas de gaseificação na década de 2020: as novas usinas

550 Mt em 10 anos 140 novas usinas

5%a.a.

UNICA

BNDES

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140 novas usinas é um bom universo a ser atacado pela nova tecnologia

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Situação Atual de Gaseificação de Biomassa

Inexiste uma planta comercial de gaseificação de biomassa no mundo Várias plantas pilotos sem continuidade

Desafios tecnológicos

China: investimentos em plantas de gaseificação de carvão Tecnologias importadas

As plantas de gaseificação exigem altos investimentos Economia de escala é relevante

Desafios em financiamento de projetos de P&D e de implantação comercial

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Plantas piloto de GFA de biomassa no mundo

Projeto Chemrec, Suécia

Projeto Choren, Alemanha 65.000t madeira/ano

Projeto BioTfuel, França

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ROTA TERMOQUÍMICA DO CARVÃO

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Plantas em construção na China

Shenhua Shell 1Mt carvão/ano oil products

Shenhua GE 600kt carvão/ano PP+PE

Shenhua Siemens 500 kt carvão /ano PP

GE

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Quando podemos começar?

Gaseificar carvão é comercial,

Biomassa é o desafio:

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Alguns Desafios Tecnológicos da Gaseificação de Bagaço

Desenvolvimento de novos processos de pré-tratamento de bagaço com reduzido consumo de energia Materiais resistentes ao desgaste abrasivo

Melhorar a confiabilidade operacional de gaseificador Refratários

Sistema de alimentação

Controle da remoção de cinzas

Desenvolver catalizadores para otimizar a produção de biocombustíveis e outros produtos em grande escala a partir de syngas

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EVTE de Planta de 323 MWth (400 mil ton de bagaço/palha seca e 8 meses de safra)

Etapas Investimento em

equipamentos (M US$2011)

Pretratamento 30

Gaseificação 40 - 75

Limpeza e condicionamento de

gás 40 - 75

Unidade FT (Fischer Tropsch) 50 - 80

ASU (Air separation unit) 30 - 75

Unidade termoelétrica de geração 50

TCI (Total Capital Investment): Equipamento + outside battery limits 400 a 700 M US$2011

Fontes: Boerrigter (2006); Faaij (2006); Swanson et al. (2010)

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Parâmetros Técnicos do EVTE

Eficiência energética (diesel FT/bagaço seco) de longo prazo: 55% (Faaij, 2006)

Long term capital investment costs do Faaij (2006): 540 Euro/KWth input capacity

PCI do bagaço seco: 17 GJ/ton

PCI de diesel (FT fuel): 41 GJ/m3

Fator de escala recomendado por Boerrigter (2006)

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Parâmetros Econômicos do EVTE

Vida econômica da planta 10 anos

Imposto brasileiro para biocombustível: 20%

Custo de distribuição e marketing de combustível: 7% do preço de combustível

Duração da safra: 8 meses

Custos de operação & manutenção anual / Total Capital Investment = 0,04

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Planta de Gaseificação (323 MWth) Produção de FT Fuel: VPL e ROI

Custo de bagaço (US$/ton)

Taxa de desconto

TCI (M US$2010)

Preço de combustivel Brasil 2020-2030 (US$/litro)

30 0,08 388

50 0,10 487 1,48

70 0,12 647 2,11

CENÁRIOS DOS PARÂMETROS

VPL (M US$) ROI

Cenário otimista 358 185%

Cenário esperado 41 20%

Cenário pessimista -53 -23%

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Promessas demais no mercado

No mundo, dezenas de empresas oferecem sistemas de torrefação, de pirólise e mesmo de gaseificação

Poucas tem dados técnicos esclarecedores a mostrar, difícil confiar. Rendimento energético!

Pouquíssimas tem plantas em operação contínua.

Muitas operaram apenas dias ou poucos meses, e estão “vendendo” tecnologia.

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Oportunidade: Projeto Biosyngas Construir e operar uma usina piloto de gaseificação de biomassa por fluxo de arraste, focada em bagaço de cana de açúcar, de forma a adquirir o conhecimento necessário para projetar uma usina industrial com Capex de US360M, para 400.000t/ano

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Tecnologia escolhida de Gaseificação

Gaseificação por fluxo de arraste Capacidade de 500kg de biomassa / hora

Gaseificador “flex”: pó ou óleo como insumo

Com oxigênio

Recuperação de calor

Tmax = 1300°C

Especificações do gás de síntese: 80% de CO+H2

< 0,5% CH4

<1g alcatrão / Nm3

< 0,5% N2

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Gargalos tecnológicos mais relevantes

1. Sistemas de secagem da biomassa

2. Sistemas de pré-tratamento de biomassa Torrefação

Pirólise rápida

3. Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação.

4. Sistema de alimentação do combustível;

5. Revestimento da câmara de gaseificação;

6. Utilização ou não de recuperador de calor;

7. Sistema de remoção de cinzas;

8. Sistemas de monitoramento, controle e segurança.

9. Sistemas de limpeza de gases

10. Sustentabilidade ambiental

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Ponto crítico: as cinzas da biomassa

Como remover continuamente as cinzas de dentro do gaseificador?

Qual o teor de cinzas da biomassa?

Quanto é “cinza botânica” e quanto é “terra”?

Que variáveis afetam “cinza botânica”? E a “terra”?

Projeto temático sendo estruturado pela Esalq

participam Poli-USP, Unicamp, IPT. Há vagas...

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Parceiros

Parceiros

Financiamento

Apoio

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Fluxograma do processo Secagem

Torrefação

Pirólise Gaseificação

SHIFT Limpeza Syngas

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Oxigênio 0,4 - 0,7 t/h

Água

(Syngas)

0,25-0,35 t/h

CO + H2 Bagaço

úmido (50 %)

0,35 - 0,45 t/h

1,1 - 1,3 t/h

CO2 0,2 – 0,3 t/h

BME

[H2/CO 2:1]

~100 kW*

* Não contabilizados energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise

Água em recirculação no sistema 30 m³/h Make-up de água 2 m³/h Consumo de GLP 45 kg /t bagaço (dados torrefação)

Balanço de massa

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LOCAL

Planta Piloto de Piracicaba

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Planta Piloto: Piracicaba / Estado de São Paulo

Esalq CTC

Dedini

Cosan

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Licença de Instalação - Emitida

Resultado da Consulta Nº da SD - 21016661

Data da SD - 24/11/2011

Razão Social - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO S.A. IPT Logradouro - RODOVIA LAÉRCIO CORTE - SP 147 Nº Complemento - KM 142+50 METROS

Bairro - VILA AREIÃO

Município - PIRACICABA

CNPJ- Nº do Processo - 21/01456/11 Objeto da Solicitação -LICENÇA PRÉVIA E DE INSTALAÇÃO

Nº Documento -21000905

Situação - Emitida Desde 07/02/2012

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Cronograma proposto PROJETO BIOSYNGAS - CRONOGRAMA FÍSICO

2011 2012 2013 2014 2015 2016

1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2°

Gerenciamento técnico do projeto

Definição de termos de PI

Definição de regras de governança

Assinatura de contratos

Projeto Conceitual

Projeto básico

Projeto executivo da Planta Piloto

Implantação do sistema de pré-tratamento

Implantação do sistema de limpeza de gases

Utilidades

Central de Instrumentação e Controle

Obras civis da planta piloto

Construção do gaseificador

Acoplamento dos Equipamentos

Testes a frio

Testes a quente

Testes de longa duração (3.000 h não contínuas)

Estudos viabilidade econômica

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Orçamento

ITENS VALOR (R$ Milhões)

Equipamentos 38.2

Instalações 3.6

Despesas com Viagens 1.2

Materiais de consumo 3.3

Recursos humanos (IPT, CTC, companies) 11.4

Serviços de terceiros 20.4

Custos administrativos 2.9

Contingências 5.7

TOTAL 86.8

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Quer saber mais? Save the date

Coloquem na sua agenda: 17/09/2012

Workshop sobre Gaseificação de Biomassa

Na Fapesp, em S. Paulo

Organizado pelo IPT,

Parte das comemorações de 50 anos da Fapesp.

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Evento: C&T de Gaseificação

Objetivos: Definir temas de P&D em gaseificação de bagaço

Promover P&D em gaseificação na comunidade de C&T no ESP

Público alvo: academia e indústria de equipamentos

Palestrantes convidados: Acadêmicos nacionais e do exterior (Europa, EUA e China)

Pesquisadores industriais (fabricantes de gaseificadores de biomassa e carvão)

Gestores de plantas pilotos do exterior

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palestrantes Palestra Palestrante e Instituição

Relevância da rota termoquímica no BIOEN Glaucia Mendes Souza, Fapesp

Programa Biosyngas do IPT Fernando Landgraf, IPT

Perspectivas de sustentabilidade de etanol no Brasil Luiz A. Horta Nogueira, Universidade Federal de Itajubá

IKFT’s experience in the development of pyrolysis technologies

Eckhard Dinjus, Karlsruhe Institute of Technology

Development of low temperature thermal conversion in the sugar industry

Phil Hobson, Queensland Univ. of Technology

Development of an opposed multi-burner gasification technology

Zhijie Zhou, East China University of Science and Technology

ETC’s experience in the development of biomass gasification process

Rikard Gebart, Energy Technology Centre (ETC)

TPS’s experience in the development and operation of biomass gasification plant

Lars Walheim, Waldheim Consulting

TU Bergakademie’s experience in the development of pilot gasification plant

Bernd Meyer, TU Bergakademie Freiberg

Uhde’s experience in the design and operation of pilot gasification plant

Norbert Ullrich, ThyssenKrupp Uhde GmbH 43

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Contatos:

Dr. Fernando Landgraf Diretor de inovação - IPT

Landgraf@ipt.br

+55 (11) 3767-4466

Dr. Gerhard Ett Gerente de Gaseificação - IPT

gett@ipt.br

+55 (11) 3767-4455

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