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VADSON BASTOS DO CARMO
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA RENOVÁVEL DE
BIOMASSAS ALTERNATIVAS PARA GERAÇÃO DE
ELETRICIDADE
CAMPINAS
2013
ii
iii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
VADSON BASTOS DO CARMO
AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA RENOVÁVEL
DE BIOMASSAS ALTERNATIVAS PARA GERAÇÃO DE
ELETRICIDADE
Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Química da
Universidade Estadual de Campinas como parte dos
requisitos exigidos para obtenção do título de Doutor, na
Área de ENGENHARIA QUÍMICA.
Orientadora: Profa. Dra. KATIA TANNOUS
Este exemplar corresponde à versão final da tese
defendida por Vadson Bastos do Carmo e
orientado pela Profa. Dra.Katia Tannous
CAMPINAS
2013
iv
v
vi
vii
RESUMO
Este trabalho teve por objetivo avaliar a eficiência energética renovável de fontes alternativas de
biomassas como matérias-primas em processos de geração de energia integradas a produção de
etanol de cana-de-açúcar para utilização no período de entressafra desta matéria-prima ou de
forma independente através de uma usina termelétrica. As fontes de biomassa analisadas foram as
seguintes: resíduos agroindustriais (casca de arroz, madeira jequitibá-rosa, madeira caixeta),
resíduos urbanos (poda de árvores e fibra de coco) e plantios e florestas energéticas (capim-
elefante e eucalipto). As eficiências energéticas relativas das biomassas foram determinadas a
partir de uma usina termoelétrica de referência, considerando-se a mesma potência de 1MW, a
eficiência do processo de termoconversão e os índices emergéticos consolidados para esta
avaliação energética e emergética, usando-se a Análise Envoltória de Dados (DEA). O plantio de
capim-elefante e a floresta energética de eucalipto apresentaram os melhores índices de eficiência
renovável relativa, iguais a 1, sendo estes iguais ao bagaço de cana-de-açúcar em substituição
desta materia-prima para obtenção de 7.776 kWh/ano de bioenergia, com sustentabilidade. O uso
de biomassas alternativas para geração de energia elétrica na substituição do uso de combustíveis
fósseis em unidades geradoras convencionais por uma usina termelétrica movida a biomassa,
pode mitigar 96.733 quilotoneladas de CO2 durante a expectativa de operação da planta,
contribuindo para a redução de emissões de gases do efeito estufa e a geração de energia mais
limpa e renovável.
Palavras-chaves: Eletricidade, Biomassa, Fontes Renováveis, Emergia de Biomassa, Energia,
Fontes Alternativas
viii
ix
ABSTRACT
This study aimed to evaluate the efficiency of renewable energy from alternative sources of
biomass as raw materials in processes of power generation integrated production of ethanol from
sugarcane for use in the off-season this raw material or form independent through a
thermoelectric plant. The sources of biomass were analyzed as follows: agroindustrial waste (rice
husk, jequitibá rosa and caixeta woods), municipal waste (pruning trees and coconut fiber) and
florest and energy plantations (elephant grass and eucalyptus). The relative efficiency renewable
energy of biomass were determined from a reference power plant, considering the same power of
1MW and the efficiency of the thermal conversion process were then consolidated in an emergy
index for this energy and emergy evaluation, using the Data Envelopment Analysis (DEA).
Planting of elephant grass and eucalyptus energy forests showed the best indexes on relative
renewable efficiency, equal to 1, which they are equal to the sugarcane bagasse, in substitution of
this raw material to obtain 7,776 kWh/year of bioenergy with sustainability. The use of
alternative biomass for power generation in the replacement of fossil fuels in conventional
generating units powered by a thermoelectric plant biomass can mitigate 96,733 kilotonnes of
CO2 over the expected plant operation, contributing to the reduction of greenhouse gases
emissions and generation of cleaner and renewable energy.
Keywords: Electricity, Biomass, Renewable Sources, Emergy of Biomass, Energy, Alternatives
Sources
x
xi
SUMÁRIO
Resumo vii
Abstract viii
Índice de Figuras xv
Índice de Tabelas xvii
Abreviaturas e Siglas xix
Nomenclatura xxi
Capítulo 1 - Introdução e Justificativa 1
Capítulo 2 - Revisão da Literatura 5
2.1. Cenário mundial e nacional referente à energia 5
2.2. Biorrefinaria 7
2.3. Processos tecnológicos para conversão de biomassa 14
2.3.1 Plataforma química: Hidrólise química ácida ou básica 16
2.3.2. Plataforma biotecnológica: Hidrólise enzimática 18
2.3.3 Plataforma termoquímica: Pirólise e gaseificação 19
2.3.4 Plataforma termoquímica: Combustão para geração de energia 20
2.4. Matérias-primas alternativas para geração de bioenergia no Brasil 23
2.4.1 Espécies de biomassa de resíduos florestais 25
2.4.2 Espécies de biomassa de resíduos agroindustriais 25
2.4.3 Espécies de biomassa de resíduos urbanos 26
2.4.4 Espécies de biomassa de plantios e florestas energéticas 27
2.5. Fluxo Energético Renovável dos Processos de Produção de Biocombustíveis 28
2.6. Análise Emergética em Sistema Produtivos 30
Capítulo 3 - Materiais e Métodos 36
3.1. Materiais usados 36
3.2. Estudos de Caso 37
3.2.1. Caso 1: Usina de produção integrada de etanol e bioenergia 38
3.2.2 Caso 2: Usina autônoma de geração de bioenergia 39
xii
3.3. Metodologia 40
3.3.1 Determinação da massa das biomassas avaliadas para geração de eletricidade 40
3.3.2 Determinação da produtividade das biomassas avaliadas para geração de eletricidade 41
3.3.3 Determinação de Indicadores Emergéticos 42
3.3.4 Eficiência relativa através da Análise Envoltória de Dados - AED 45
3.3.4.1 Metodologia adotada para a determinação da Eficiência Renovável Relativa (EERR)
mediante planilha de dados e software DEAOS 45
Capítulo 4 - Resultados e Discussão 51
4.1. Determinação da quantidade de massa das biomassas avaliadas 51
4.2. Determinação dos indicadores emergéticos 51
4.3. Resultados da eficiência relativa através da Análise Envoltória de Dados - DEA 56
4.4. Estudo de Caso 1: Produção integrada de etanol e bioenergia
56
3
4.5. Estudo de Caso 2: Produção independente de bioenergia 64
Capítulo 5 – Conclusões 66
Referências Bibliográficas 69
Apêndices 83
Apêndice 1: Cálculo da quantidade de massa de biomassa para geração de energia 85
Apêndice 2: Diagramas e cálculos para os fluxos e indicadores emergéticos das biomassas 86
Anexo 1: Usina de referência para produção integrada de etanol e energia 146
xiii
DEDICATÓRIA
“Às minhas energias renováveis desta
vida: Mariana e Lucas Bastos”.
xiv
xv
AGRADECIMENTOS
À Deus, senhor do universo e dos homens, que me proporcionou os meios para o
atingimento de mais um objetivo de vida.
Aos meus pais, Vadison e Ivone, arautos de todas as etapas de minha vida, detentores de
sabedorias e exemplos vivos de educação e entusiasmo.
A minha esposa Joceli e meus filhos Mariana e Lucas que partilharam, com compreensão
e incentivos, parte de suas vidas nesta empreitada.
A minha orientadora, Profa. Dra. Katia Tannous, pela orientação e confiança durante
todas as etapas deste trabalho.
Aos professores, colegas e funcionários da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da
UNICAMP, pela convivência, conhecimentos e disposição oferecida em distintos momentos
desta jornada.
Ao Sr. José Luiz Olivério, Vice Presidente de Tecnologia e Desenvolvimento da Dedini
S.A. – Indústrias de Base, pela oportunidade e privilégio de conviver com sua sabedoria sobre o
setor sucro-energético.
Ao Prof. Dr. Enrique Ortega Rodrígues, da Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA)
da UNICAMP, pela introdução ao mundo da emergia e desenvolvimento sustentável.
Ao Rodrigo Allegretti Artioli, aluno de IC da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da
UNICAMP pelo apoio técnico na modelagem do DEA.
E, finalmente, à minha família, amigos, colegas e a todos que direta ou indiretamente
contribuíram para a realização deste projeto.
xvi
xvii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Fontes de obtenção do etanol de 1ª geração ............................................................... 11
Figura 2.2: Produtos químicos obtidos a partir do etanol (cadeia Alcoolquímica) ........................ 12
Figura 2.3: Processo de produção de etanol de 2ª geração............................................................ 13
Figura 2.4: Processos tecnológicos de conversão da biomassa ..................................................... 15
Figura 2.5: Produção integrada de biocombustíveis e energia renovável ...................................... 15
Figura 2.6: Fluxograma do processo de hidrólise DHR–Dedini Hidrólise Rápida ........................ 17
Figura 2.7: Hidrólise Enzimática ................................................................................................. 18
Figura 2.8: Processo de Pirólise Rápida integrada à Gaseificação ................................................ 20
Figura 2.9: Diagrama genérico de um processo emergético ......................................................... 32
Figura 3.1: Usina de produção de etanol e bioenergia de referência ............................................. 38
Figura 3.2: Usina geradora de energia elétrica movida a diesel .................................................... 40
Figura 3.3: Diagrama da emergia para a geração de eletricidade a partir de biomassas ................ 43
Figura 3.4: Variáveis para determinação da Eficiência Energia Renovável Relativa ................... 46
Figura 3.5: Software DEAOS com dados avaliados ..................................................................... 50
Figura 4.1: Diagrama emergético geral para uso de biomassa na geração de bioenergia ............... 52
Figura 4.2: Diagrama emergético do ciclo de produção do Eucalipto ........................................... 53
Figura 4.3: Esquema de usina proposta de produção integrada de etanol e energia elétrica .......... 64
Figura 4.4: Esquema de usina termoelétrica proposta movida a biomassa .................................... 65
xviii
xix
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1: Geração de energia elétrica no mundo por fonte ........................................................ 06
Tabela 2.2: Produção de biomassa por capacidade instalada no Brasil ......................................... 24
Tabela 2.3: Energia renovável x energia fóssil de matérias-primas para a produção de etanol ...... 29
Tabela 2.4: Transformidade de matérias primas e energia de diferentes processos ....................... 33
Tabela 3.1: Poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI) das biomassas........ 37
Tabela 3.2: Produtividade das biomassas avaliadas ..................................................................... 42
Tabela 3.3: Dados (entrada e saída) para cálculo da eficiência renovável relativa ........................ 47
Tabela 4.1: Fluxo e índices emergéticos do ciclo de produção do eucalipto ................................. 54
Tabela 4.2: Indicadores emergéticos de processos – fluxos emergéticos (seJ/ha.ano) ................... 55
Tabela 4.3: Resultados dos pesos e da eficiência para cada biomassa .......................................... 56
Tabela 4.4: Ranking das biomassas de acordo com a eficiência ................................................... 57
Tabela 4.5: Resultados obtidos pelo software DEAOS ................................................................ 57
Tabela 4.6a: Modelagem da EERR através do DEA (casca de arroz) ........................................... 58
Tabela 4.6b: Modelagem da EERR através do DEA (fibra de coco)) ........................................... 59
Tabela 4.6c: Modelagem da EERR através do DEA (poda de árvore)) ........................................ 59
Tabela 4.6d: Modelagem da EERR através do DEA (jequitibá rosa) ........................................... 60
Tabela 4.6e: Modelagem da EERR através do DEA (caixeta) ...................................................... 60
Tabela 4.6f: Modelagem da EERR através do DEA (eucalipto) ................................................... 61
Tabela 4.6g: Modelagem da EERR através do DEA (capim-elefante) ......................................... 61
Tabela 4.6h: Modelagem da EERR através do DEA (bagaço de cana) ......................................... 62
Tabela 4.7: Frequência de referência na eficiência energética renovável relativa ......................... 63
xx
xxi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABRAF Associação Brasileira de Produtores de Florestas Plantadas
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ANFAVEA Associação Nacional de Fabricantes de Veículos Automotores
BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social
CEASA Central de Abastecimento Sociedade Anônima
CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa
CCR Modelo Charles, Coopers e Rhodes – Retorno Constante de Escala
DEA Data Envelopment Analysis - Análise Envoltória de Dados
DEAOS Data Envelopment Analysis On Line
DHR Dedini Hidrólise Rápida
DMU Data Making Unit – Unidade Tomadora de Decisão
EPE Empresa de Pesquisa Energética
GEE Gases do Efeito Estufa
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IPCC Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas
LCA Life Cycle Analysis - Análise do Ciclo de Vida
MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
PBI Produção Interna Bruta
PROÁLCOOL Programa Nacional do Álcool
REN 21 Renewables Global Status Report
UNICA União da Indústria de Cana-de-Açúcar
xxii
xxiii
NOMENCLATURA
E Energia elétrica gerada [kWh]
EER Índice de Intercâmbio Emergético [ - ]
EERR Eficiência energética Renovável Relativa [ - ]
EIR Índice de Investimento Emergético [ - ]
ELR Razão de Carga Ambiental [ - ]
EYR Razão do Rendimento Emergético [ - ]
F Contribuições Totais de Recursos da Economia [sej/J]
H Quantidade de Horas de Operação [h/ano]
I Contribuições Totais de Recursos da Natureza [sej/ha.ano]
M Contribuições de Materiais [sej/J]
N Contribuições de Recursos Não-Renováveis da Natureza [sej/ha.ano]
PCS Poder Calorífico Superior [kcal/kg]
P Potência Elétrica Gerada [kW]
R Contribuições de Recursos Renováveis da Natureza [sej/J]
% R Porcentagem de Renovabilidade [%]
Tr Transformidade [sej/J]
Y Contribuições de Recursos da Natureza e Economia [sej/J]
Símbolos Gregos
Eficiência da tecnologia de conversão de biomassa [sej/J]
xxiv
1
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
As nações têm se preocupado em conciliar o crescimento econômico associado ao
desenvolvimento social e ambiental. Esta preocupação já era observada por Schumpeter em 1911
(SCHUMPETER, 1982), através da sua Teoria de Desenvolvimento Econômico. O vetor
essencial para o desenvolvimento é a inovação, tendo como agente central, o empreendedor,
capaz de fornecer ao mercado novos produtos ou processos mediante inovação através de
combinações mais eficientes para os fatores de produção.
De acordo com Leite (1990), o conteúdo energético nas diversas fontes de biomassas
assim como os seus diversos produtos e subprodutos derivados como florestas e plantios
energéticos, resíduos florestais, resíduos animais, resíduos agroindustriais e resíduos urbanos,
pode ser diretamente liberada por meio da combustão ou convertida, através de diferentes
processos químicos, bioquímicos e termoquímicos, transformadas em energia e em produtos
energéticos de natureza distinta, tais como carvão vegetal, etanol, gases combustíveis e de
síntese, óleos vegetais combustíveis e outros produtos químicos.
Cortez (2010) ressalta que, sendo o conteúdo energético um destes fatores de produção e,
com a sua importância para os setores produtivos e dependência atual das fontes de energia fóssil
(petróleo, carvão mineral e gás natural), torna-se essencial a substituição por combustíveis e
vetores energéticos com baixos teores de carbono, como no caso das biomassas lignocelulósicas,
que emitem menos gases poluentes, sendo fundamental para as novas gerações.
Para que ocorra esta substituição são necessárias novas tecnologias capazes de suprir
energia tanto para os setores produtivos quanto para os transportes e urbanos.
Neste contexto, Pandey (2008) visualiza a importância da inovação dos processos que
utilizam energia proveniente de fontes não renováveis, com a substituição por novos processos de
fontes renováveis, como a biomassa, solar, eólica, geotérmica e hidrogênio.
Já existem tecnologias alternativas, utilizando fontes renováveis, que estão disponíveis
comercialmente, podendo substituir de imediato as fontes de energia fósseis, como por exemplo,
a geração de energia térmica e elétrica através da conversão termoquímica.
2
Dentre as alternativas de fontes renováveis de energia, o uso da biomassa pode
desempenhar um caminho virtuoso no desenvolvimento sustentável, além de fornecer energia em
curto prazo, pode contribuir com a redução das emissões de gases poluentes e do efeito estufa,
bem como a redução de resíduos agrícolas, industriais e urbanos.
O Brasil, neste contexto, tem liderado iniciativas, que demonstram esta tendência
potencial na mudança de sua matriz energética. É neste contexto que este trabalho baseia-se na
avaliação da eficiência energética renovável de fontes alternativas de biomassa para a produção
de bioenergia, tanto de forma integrada ao processo de produção de biocombustíveis quanto de
forma independente através de uma planta térmica autônoma. Com isso, este trabalho foi
organizado da seguinte maneira:
No capítulo 2 apresentar-se-á uma revisão da literatura, sendo discorridos os cenários
mundial e nacional de energia abordando o aumento das energias renováveis e a
importância da bioenergia na matriz energética. A biorrefinaria como agente de
transformação dos diversos tipos de processos de conversão da biomassa: química,
biotecnológica e termoquímica. A rota escolhida para o desenvolvimento desta
pesquisa, o processo de conversão de biomassa através da combustão, é destacado
como processo para geração de energia. Também são apresentadas alternativas de
biomassa usadas como fontes ou matérias-primas para a geração de bioenergia. Em
seguida, são discorridas as definições utilizadas para análises da energia e emergia
usados como referência para as avaliações do ciclo de produção de biocombustíveis e
bioenergia;
No capítulo 3 serão apresentados os materiais e métodos contendo a descrição de
duas plantas industriais usadas como referências para a conversão das biomassas
escolhidas para este estudo, a memória de cálculo para avaliação para cada tipo de
biomassa para a geração de energia elétrica de 1MW, fluxo emergético e eficiência
energética renovável relativa a partir da análise envoltória de dados (DEA) em duas
plataformas (DEOS e planilha excel) para comparação dos resultados.
Os estudos de caso foram: produção integrada de biocombustíveis e bioenergia em
usinas produtoras de etanol e energia em período de entressafra da cana-de-açúcar e
3
em planta térmica independente para substituição de combustíveis fósseis na geração
de energia elétrica;
No capítulo 4 são apresentados e discutidos os resultados obtidos da avaliação
energética e emergética de cada biomassa e a comparação entre o conjunto de
variáveis analisadas, incluindo a obtenção e análise dos indicadores emergéticos:
transformidade, renovabilidade e rendimento emergético, como subsídios para
escolha de biomassas alternativas para produção de bioenergia nos casos estudados.
Ao final do trabalho serão apresentadas as conclusões das avaliações energética e
emergética de cada alternativa de biomassa estudada, sendo descrita uma proposta para possível
uso de fonte renovável de energia em substituição de uma fonte não-renovável ou fóssil nos casos
avaliados, destacando os benefícios ambientais, incluindo a mitigação de gases do efeito estufa e
descentralização da geração de energia.
Além disso, consta neste trabalho, projeções de novos projetos, Apêndices e Anexos,
materiais complementares ao escopo desta tese.
Objetivo Geral
Esta pesquisa tem como objetivo geral avaliar matérias-primas alternativas para a geração
de energia elétrica renovável em processo integrado à produção de etanol de cana-de-açúcar no
período de entressafra da cana-de-açúcar, bem como em uma pequena usina termoelétrica
independente, com o aproveitamento das seguintes fontes de biomassa: resíduos agroindustriais
(casca de arroz, jequitibá-rosa e caixeta), resíduos urbanos (fibra de coco e poda de árvores) e
plantios e florestas energéticas (capim-elefante e eucalipto).
Objetivos Específicos
1) Escolha e levantamento da disponibilidade setorial das biomassas alternativas para o
estudo em questão;
2) Identificação do ciclo emergético de biomassas alternativas, considerando os recursos
nas etapas da cadeia antrópica: os recursos renováveis, os recursos não-renováveis, os
materiais e os serviços;
4
3) Determinação e comparação dos índices emergéticos para cada biomassa,
estabelecendo os fluxos emergéticos e índices de emergia como: Tr (Transformidade);
EYR (Rendimento em Emergia); %R (Renovabilidade);
4) Determinação da Eficiência Energética Renovável Relativa - EERR, avaliadas pela
Análise Envoltória de Dados (DEA) e modelo desenvolvido por Charles, Coopers e
Rhodes (CCR).
5
Capítulo 2 - REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Cenário mundial e nacional referente à energia
No novo cenário mundial, com intensa competição por riquezas, as nações e populações
têm destacado a importância pelos recursos escassos de água, alimentos, materiais e energia. A
energia desenvolve um papel muito importante para os sistemas produtivos e urbanos, sendo
fundamental a sua disponibilidade para a economia local e global.
Como recurso escasso, pois a maior quantidade de energia atual é gerada por recursos não
renováveis, como petróleo, carvão mineral e gás natural, a busca de alternativas para a sua
geração, enfatizando fontes de recursos renováveis, como biomassa, emerge como essencial para
manutenção e ampliação dos sistemas produtivos e urbanos.
Biomassa como fonte de matéria-prima pode gerar um combustível ou bioenergia que
pode ser utilizada nos três estados da matéria: sólido (resíduos florestais, agroindustriais, e pellets
de madeira), gasoso (biogás, gás de síntese) e líquido (metanol, etanol e biodiesel). A bioenergia
é definida como todo processo que converte energia solar em energia química, por meio da
fotossíntese realizada pelos vegetais, assim considerados biomassa (EPE, 2012).
O impasse atual é a conciliação entre o desenvolvimento com suprimento de energia
baseado principalmente em fontes de combustíveis fósseis como o carvão mineral, petróleo, gás
de xisto e gás natural, e uma matriz energética mais limpa, com suprimento de energia baseado
em fontes alternativas com menos impacto ambiental.
Um destes impactos ambientais é o elevado volume de Gases do Efeito Estufa (GEE)
provocado pela emissão de carbono. Os GEE são compreendidos pelos gases metano (CH4),
óxido nitroso (N2O), monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx), com fatores de
emissão extremamente reduzidos. Considerando-se o processo de combustão a partir de
combustíveis fósseis, inclui-se ainda o dióxido de carbono (CO2) e óxidos de enxofre que são
emitidos ao meio ambiente.
Neste sentido, busca-se a “limpeza” da matriz energética com a utilização de fontes
renováveis e a diversidade pesquisando-se diversas alternativas de fontes de energia (, 2012).
6
Com relação a geração de energia elétrica, pode-se notar na Tabela 2.1, que as fontes
térmicas convencionais representam a principal fonte de energia elétrica no mundo, alcançando
mais de 66% da matriz.
Tabela 2.1: Geração de energia elétrica no mundo por fonte
TIPO TWh %
TÉRMICA CONVENCIONAL 12660 66,7
HIDRELÉTRICA 3151 16,6
NUCLEAR 2562 13,5
BIOMASSA 266 1,4
EÓLICA 266 1,4
GEOTÉRMICA 57 0,3
SOLAR 19 0,1
TOTAL 18980 100,0
Fonte: (EPE, 2013)
Já com relação à matriz energética nacional, o cenário é bem mais adequado a tendência
de uma matriz mais limpa e diversificada, pois 85% da energia elétrica gerada no Brasil é de
origem renovável, sendo 76,9% de usinas hidrelétrica, 6,8% de biomassas e 0,9% de eólicas
(EPE, 2013)
De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a capacidade de geração de
energia elétrica no Brasil em 2012 aumentou 3,9% em relação a 2011, passando a gerar 552,5
TWh. No entanto, este aumento foi acompanhado de um aumento na participação de energias não
renováveis de 16,75% em 2012 em relação a 2011 com 11,9% , devido ao aumento da utilização
de usinas termelétricas movidas a combustíveis fósseis (EPE, 2013).
Para modificar esta situação, o Brasil conta com um grande potencial para aumentar a
proporção de energia renovável proveniente de biomassa e tornar a matriz energética ainda mais
limpa, pois possui o maior programa de energia renovável em operação no mundo, o qual utiliza
etanol a partir da cana-de-açúcar como combustível em substituição a gasolina.
7
A cadeia produtiva sucro-energética, que contempla desde o plantio da cana-de-açúcar até
a produção de etanol, açúcar e geração de energia, representa uma alternativa para o aumento da
participação de energia renovável e suprimento da demanda de energia carburante.
A produção agrícola nacional de cana-de-açúcar na safra 2011/12 foi de 560.993.790
toneladas, proporcionado a produção de 35.993.790 toneladas de açúcar e 22.736.540 de m3 de
etanol (MAPA, 2013). A produção mundial de etanol em 2011 foi de 86,1 bilhões de litros,
enquanto a produção de etanol no Brasil foi de 20,7 bilhões de litros (REN 21, 2012).
No Brasil o processo de produção de etanol de cana-de-açúcar 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, no período da
entressafra, os equipamentos e instalações da usina e da geradora de energia ficam parados ou em
manutenção e deixam de gerar os seus produtos convencionais: açúcar, etanol e a própria energia,
que é consumida ou exportada para a rede de energia.
Um exemplo deste potencial foi apresentado por OLIVERIO et al. (2010), considerando
uma usina convencional com operação de 180 dias no ano, com moagem de cana-de-açúcar de
2.160.000 t/ano (moagem de 500 ton. de cana-de-açúcar/h ou 12.000 t de cana-de-açúcar/dia),
gerando uma potência excedente de 50,7 MW ou 219.024 MWh/ano.
Por isso, para a geração de energia elétrica adicional no período da entressafra da cana-de-
açúcar com uma biomassa alternativa como resíduo agroindustrial, urbano ou plantio específico,
deve ser considerado as suas características energéticas, sua disponibilidade e o processo de
conversão utilizado.
2.2.Biorrefinaria
Apesar da expressiva importância da cadeia produtiva petroquímica, representante de uma
parcela significativa da produção nacional com 23,1% do Produto Interno Bruto (PIB),
produzindo insumos para outros setores produtivos (ex.: setor têxtil, de embalagens,
automobilístico e eletroeletrônico), esta possui uma grande desvantagem, que é a dependência de
8
fonte de recursos não renováveis. Isso reforça a busca por fontes de recursos oriundas de recursos
renováveis (NAKANO, 2006), como por exemplo, as biorrefinarias.
A biorrefinaria pode ser denominada como complexos industriais, que produzem
matérias-primas, produtos químicos e energia a partir de biomassa.
Estas formas de bioenergia podem substituir as rotas tecnológicas tradicionais procedentes
de fontes fósseis e com mais carbono para uma energia mais limpa e renovável. Como no caso do
eteno, produzido a partir de etanol de cana-de-açúcar (BRASKEM) e o bio-plástico (PHB)
produzido a partir de um micro-organismo no processo de fermentação do caldo da cana-de-
açúcar.
Na geração de biocombustíveis, o Brasil utiliza a cana-de-açúcar como matéria-prima
para a produção de etanol mediante açúcares fermenticíveis por leveduras que convertem a
sacarose em etanol (LIMA, 2002).
Já o biodiesel é produzido por meio de uma reação de esterificação, isto é, reação entre o
óleo vegetal ou ácido graxo (origem vegetal ou animal) e um álcool (etanol ou metanol) com a
utilização de um catalisador (Metilato de sódio) na faixa de temperatura de 40 oC – 70
oC, faixa
de tempo de 40 min – 70 min, na pressão atmosférica.(OLIVÉRIO et al., 2010a). O óleo mais
utilizado tem sido o de soja, que pode reagir com o metanol ou etanol para a obtenção do
biodiesel (éster) e glicerina como subproduto.
Para o pleno aproveitamento da biomassa em termos energéticos, é importante dispor de
tecnologia e equipamentos capazes de produzirem energia necessária para suprir os processos
produtivos e gerar excedentes para o fornecimento interno ou para a rede de distribuição de
energia elétrica. É o caso das novas usinas de açúcar e etanol, onde a biomassa pode ser
queimada diretamente em caldeiras de alta pressão (maiores do que aprox. 100 kgf/cm2)
compondo sistemas de cogeração de energia, com turbo-geradores a vapor, que são capazes de
gerar a energia suficiente para os processos de produção de etanol, açúcar e ainda vender o
excedente de energia elétrica às distribuidoras de energia (ex.: CPFL).
Quanto à possibilidade dos produtos obtidos, existe uma grande variedade, desde o
aproveitamento integral da biomassa, destacando as cadeias sucroquímica e alcoolquímica, até a
geração de produtos para o abastecimento da cadeia de alimentos e petroquímica (BASTOS,
2007).
9
O Brasil está inserido no setor sucro-energético desde o século XIV com o ciclo da cana-
de-açúcar, tendo o primeiro engenho instalado no Brasil já em 1534, o engenho dos Erasmos, na
cidade de São Vicente/SP. Neste primeiro ciclo, a cana-de-açúcar era matéria-prima para
produção do alimento açúcar (CHRISTOFOLETTI e MELLO, 2011).
Em 1931, o presidente Getúlio Vargas, com o objetivo de reduzir a dependência externa
de combustíveis e derivados de petróleo, em meio a crise mundial, assinou o Decreto nº 19.717,
que permitiu a adição de 5% de etanol à gasolina, o que também ajudou o setor sucroalcooleiro a
utilizar os excedentes de sua produção (BNDES, 2008).
Na década de 1970, após a crise do petróleo, foi introduzido o Programa do Álcool
Combustível - PROALCOOL, que estabeleceu a cana-de-açúcar como provedora de combustível
carburante alternativo à gasolina oriunda do petróleo, incluindo o desenvolvimento de motores de
combustão interna com possibilidade de uso do etanol exclusivamente, E100 (BNDES, 2008).
A partir do ano 2000, alguns fatos marcaram a introdução de um novo ciclo para o
aproveitamento da cana-de-açúcar: as novas leis ambientais nos Estados Unidos e Europa, o
início da produção de etanol a partir do milho nos EUA, o início do mercado de crédito de
carbono e a assinatura do protocolo de Quioto por diversos países (BNDES, 2008).A partir de
2003, houve a introdução dos automóveis com motores, que permitiam usar a mistura etanol
hidratado e gasolina, além da adição de etanol anidro como aditivo à gasolina convencional na
proporção de 18% a 25%. Atualmente sendo responsáveis pela frota de 4 milhões de automóveis,
de um total de cerca de 22 milhões de automóveis no Brasil (BNDES, 2008).
Estes fatos modificaram o papel da cana-de-açúcar, que além de fornecedora de alimento
e combustível, também passou a ser fornecedora de matérias-primas para a produção de outros
produtos químicos, como o próprio etanol para a produção de eteno. O eteno é matéria-prima
para a produção de uma cadeia de produtos petroquímicos.
Em decorrência, há a sinalização do futuro deste setor sucro-energético com a necessidade
do desenvolvimento de novas tecnologias para aproveitamento da celulose como fonte de
açúcares para a produção do etanol de segunda geração e matéria-prima para a indústria química
e geração de energia.
Para isto, a preocupação ambiental com metas rígidas com relação às emissões de gases
do efeito estufa, que consolide um mercado de crédito de carbono mais maduro e promissor, deve
10
ser prioridade declarada e cumprida pelos governos e empresas, principalmente dos países
desenvolvidos e emergentes.
A biorrefinaria pode representar uma alternativa relevante dentro do potencial nacional,
em especial, para atendimento crescente da demanda de combustíveis, energia e produtos não
fósseis. Uma grande vantagem no Brasil é a cadeia produtiva sucro-energética, que pode fabricar
combustível carburante, como o etanol anidro (99,8 0GL) e hidratado (96,4
0GL), além de que
pode gerar bioenergia e bioprodutos a partir de fontes agrícolas renováveis.
O Brasil, que é o maior produtor mundial de etanol de cana-de-açúcar, possui o menor
custo de produção em comparação com o etanol produzido a partir do milho (EUA) e outras
fontes como a beterraba (Europa). Para ilustrar esta vantagem competitiva, por exemplo, em
termos de custos, um litro do etanol fabricado no Brasil a partir da cana-de-açúcar, custa 28
centavos de dólar, contra 45 centavos de dólar do equivalente americano (ANDREOLLI e
SOUZA, 2007).
Nos últimos anos, o balanço entre importações e exportações de etanol voltou a ser
positivo e há clara tendência de que o Brasil deverá ser um significativo exportador desse
produto, devido às vantagens comparativas da produção no país e à adoção de programas de uso
do etanol combustível em diversos países como estratégia de melhoria ambiental e redução de
emissões (CARMO e TANNOUS, 2009).
Atualmente, no Brasil, a frota de veículos movidos à gasolina é aproximadamente 50%.
Nas vendas de veículos novos, 86,4% são veículos de combustível duplo ou flex-fuel. Destes
veículos, 88,1% utilizam etanol como combustível principal e, a gasolina passa a ser o
combustível alternativo (ANFAVEA, 2011).
No Brasil existe grande potencial de oportunidades a partir do uso da biomassa, em
especial, as cadeias sucro-álcoolquímica e ligno-celulósica. Para o aproveitamento da biomassa
nestas cadeias deve seguir os conceitos oriundos da cadeia petroquímica, utilizando tecnologias
similares a refinaria petroquímica. Neste sentido, a biorrefinaria conta com a vantagem da
utilização de matéria-prima e energia de fontes renováveis e de baixo impacto ambiental em
comparação com a refinaria petroquímica, que utiliza fontes fósseis e mais poluidoras (FRANCO
e GARZÓN, 2010).
11
A Figura 2.1 mostra as distintas etapas para obtenção do etanol a partir de amiláceos e
gramíneas.
O primeiro é transformado em amido e depois em glicose, enquanto que no segundo é
extraída a sacarose e em seguida transformada no etanol.
No caso do etanol obtido a partir do amido provenientes dos grãos (milho, sorgo),
mostrado na Figura 2.1, conforme Dien (2004), as principais etapas do processo de produção de
etanol de milho são: moagem, cozimento, liquefação, sacarificação, fermentação e separação.
Figura 2.1: Fontes de obtenção do etanol de 1ª geração
(Fonte: Adaptado de BASTOS, 2007)
Amiláceos, grãos
(milho, sorgo)
*1
Amido Glicose Etanol
Gramíneas
(cana-de-açúcar)
*2
Sacarose
Glicose
Etanol
Frutose
Depois da etapa inicial, onde ocorre a moagem dos grãos, há a liquefação, onde os grãos
são misturados com água, são adicionadas as enzimas e nutrientes e são aquecidos para que o
amido seja liquefeito, obtendo-se o mosto.
Na etapa de fermentação, a glicose contida no mosto é transformada em etanol pela ação
da levedura Saccharomyces cerevisiae. O líquido produzido (mosto fermentado) é destilado,
retirando-se pelo topo da coluna, a mistura etanol/água de uma solução aquosa de sólidos, os
quais são retirados por fundo. A mistura etanol/água é retificada para eliminação da água e
obtenção do etanol. A vinhaça produzida segue para um conjunto de centrífugas (decantadores),
nas quais são separados os sólidos em suspensão (fibras, celulose) dos sólidos solúveis e
12
dissolvidos (açúcares, proteínas), obtendo-se uma torta de sólidos úmida (que pode ser
recirculada no processo) e a parte restante (líquida) segue para evaporadores, nos quais é
produzido o xarope (com cerca de 50% de água contida no xarope).
O xarope é misturado a sólidos retirados na centrífuga e secado dando origem aos grãos
secos de destilaria com solúveis (DDGS - distillers dried grains with solubles), que é um sub-
produto deste processo. Este processo apresenta um rendimento industrial de 460 L de etanol
anidro e 380 kg de DDGS por cada tonelada de milho seco inserida no sistema. O DDGS é usado
como ração animal devido ao elevado teor de proteínas.
No caso das gramíneas, como a cana-de-açúcar, o caldo obtido da moagem contendo
sacarose é fermentado com levedura para a produção de glicose frutose, em seguida ocorre a
destilação obtendo-se o etanol e como subproduto a vinhaça.
Figura 2.2: Produtos químicos obtidos a partir do etanol (cadeia Alcoolquímica)
(Fonte: Adaptado de SCHUCHARDT, 2009)
Eteno
Propileno
Buteno
Etil benzeno
Cloreto de etila
Etileno diamina
Etilenoglicol
Oxido de etileno
Dietilenoglicol
Acetato de vinila
Polímeros
Copolímeros
Acetaldeído
'
Ácido acético
Anidrido acético
Produtos alcóolicos
Acetato de butila
Butiraldeído
Etilenoimina
piridinas
Ácido acético
Acetamida
Acetanilda
Cloreto de acetila
Anidrido acético
Dimetil acetamida
Acetato de celulose
esteres
Etanol
No caso da rota alcoolquímica pode-se citar a produção do eteno (Figura 2.2) obtido a
partir do etanol de cana-de-açúcar, usado como matéria-prima para produção de plásticos
13
renováveis, como o propileno, butileno, etil benzeno, cloreto de etila, etileno diamina,
etilenoglicol, óxido de etileno, dietilenoglicol, acetato de vinila, polímeros e copolímeros.
Nesta rota alcoolquímica é possível a obtenção de diversos outros produtos químicos
como acetaldeído, ácido acético, anidrido acético, acetato de butila, butiraldeído, etilenoimina e
piridinas, assim como o ácido acético, percursor da acetamida, acetanilda, cloreto de acetila,
anidrido acético, dimetil acetamida, acetato de celulose e ésteres.
A partir da separação da decomposição de materiais celulósicos em lignina, celulose e
hemicelulose, podem ser obtidos diversos produtos, como xilitol e furfural, conforme mostrado
na Figura 2.3 (YANG, 2006).
Figura 2.3: Processo de produção de etanol de 2ª geração
(Fonte: adaptado de YANG, 2006)
A partir de cada um destes produtos obtidos diretamente do etanol (eteno, acetaldeído e
ácido acético), também podem ser obtidos outros produtos, conforme mostrado na Figura 2.2:
Lignina: potencial de produção de óleo, fenóis, ácido acético e a geração de
energia térmica e elétrica;
14
Hemicelulose: pode-se obter principalmente o ácido acético, ácido urônico e
monossacarídeos (glicose, manose, arabionose, galactose e xilose), que por sua
vez podem gerar outros produtos químicos como furfural, sorbitol, manitol,
galactol, arabitol, xilitol, acetona, butanol e etanol;
Celulose: obtém-se a glicose e outros açúcares fermentativos transformados em
etanol ou outros produtos químicos, como por exemplo, o furfural e o butanol
(SCHUCHARDT, 2009; BASTOS, 2007).
Esta substituição de produtos químicos obtidos pela alcoolquímica pode ser viabilizada
desde que sejam considerados os aspectos ambientais e sociais, além dos econômicos,
priorizando-se a produção de produtos químicos mais sustentáveis.
2.3. Processos tecnológicos para conversão de biomassa
O Brasil tem um grande potencial para a geração de bioenergia como fornecedor de
matéria-prima (biomassa) pelas condições climáticas de solo, água e possuir áreas cultiváveis
adequadas para a produção de espécies específicas para uso energético e grande quantidade de
resíduos devido a sua extensa produção agroindustrial.
Para o aproveitamento deste potencial, é necessário que se tenha processos tecnológicos
que possibilitem a conversão da biomassa em biocombustíveis, bioenergia ou bioprodutos.
Esta conversão da energia química contida na biomassa pode ser transformada em energia
mecânica ou biocombustíveis sólidos, líquidos ou gasosos por meio de processos de conversão
físicos, químicos ou biológicos (MALÇA, 2003).
As fontes de biomassa podem ser processadas através de várias alternativas de rotas
tecnológicas como: fermentação, combustão, liquefação, pirólise, hidrólise, transesterificação e
gaseificação transformando-se em diversos tipos de bioenergia (calor, eletricidade,
biocombustível e bioprodutos).
Nesta direção, a obtenção de energia renovável e combustível pode ser dividida em três
plataformas: química, bioquímica e termoquímica.
15
Neste estudo, as alternativas abordadas para a discussão estão concentradas no
aproveitamento do bagaço da cana-de-açúcar como material celulósico, como matéria-prima para
a produção de biocombustíveis, produtos e bioenergia.
Uma visão das alternativas dos processos tecnológicos para conversão de biomassa em
energia é mostrada na Figura 2.4.
Figura 2.4: Processos tecnológicos de conversão da biomassa
(fonte: CARMO e TANNOUS, 2009)
No caso do caldo, pode gerar açúcar, etanol e biodiesel renovável. No caso do bagaço,
além da geração de vapor e eletricidade, este pode ser transformado em etanol de segunda
geração através da hidrólise química ácida ou básica; hidrólise enzimática e através da
gaseificação, em gás de síntese (Figura 2.5).
Figura 2.5: Produção integrada de biocombustíveis e energia renovável
16
Outra rota possível seria através da pirólise de matérias celulósicos é possível a produção
de bio-óleo e carvão vegetal.
A partir do gás de síntese, podem-se produzir diversos biocombustíveis e produtos
químicos que podem substituir as rotas convencionais de síntese destes produtos a partir da
cadeia petroquímica.
A seguir serão descritos exemplos de tecnologias em desenvolvimento em cada uma das
plataformas mencionadas de conversão de biomassa em biocombustíveis, energia e produtos
renováveis.
2.3.1 Plataforma química: Hidrólise química ácida ou básica
Um exemplo de processo de conversão de biomassa em biocombustíveis por meio da
hidrólise química é o caso do processo desenvolvido pela Dedini S.A. denominado Dedini
Hidrólise Rápida (DHR) patenteado nos Estados Unidos, sob o número 5.879.463 (ROSSEL,
2005).
A pesquisa abordou um pré-tratamento do bagaço da cana-de-açúcar para facilitar a
conversão em etanol, usando o processo Organosolv, que consiste em um solvente composto de
uma mistura de etanol-água e ácido sulfúrico diluído, como catalisador.
O processo DHR consiste em uma hidrólise ácida, integrado com a fermentação e
destilação, para a produção de etanol a partir de bagaço e palha de cana.
Este processo foi desenvolvido em 1997 em parceria entre a Dedini e a Copersucar, com o
apoio da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo), sendo dividido em
três etapas:
a) Hidrólise de materiais celulósicos: consiste no processo de sacarificação, ou seja,
incorporação de água à celulose e à hemicelulose, transformando-as em açúcares
fermentescíveis;
b) Processo de fermentação: transforma os açúcares fermentescíveis em etanol;
c) Destilação: separa o etanol dos demais componentes do vinho obtido na
fermentação.
O bagaço é alimentado ao reator de hidrólise por meio de uma rosca cônica capaz de
aumentar a sua pressão para a pressão de vapor da mistura de reação (25-28 kgf/cm2). A mistura
17
do bagaço com o ácido e solução quente permanece no reator a 180-200°C, tempo suficiente para
proporcionar a dissolução de lignina e da hidrólise da hemicelulose e celulose.
Figura 2.6: Fluxograma do processo de hidrólise DHR–Dedini Hidrólise Rápida
(fonte: ROSSEL, 2005)
Caldeira
Etanol
1a geraçãocaldo
Bagaço
Turbo-
geradorvapor eletricidade
Caldeira
Etanol
1a geraçãocaldo
Bagaço
Turbo-
gerador
Recuperação
do etanol,
solvente e
ácido sulfúrico
eletricidadeCaldeira
Etanol
1a geraçãocaldo
Bagaço
Turbo-
geradorvapor eletricidade
Caldeira
Etanol
1a geraçãocaldo
Bagaço
Turbo-
geradorRecuperação do
etanol, solvente e
ácido sulfúrico
eletricidade
Caldeira
Etanol
1a geraçãocaldo
Bagaço
vapor eletricidade
Etanol
2a geração
Biomassa
FlashdestilaçãoReator
Contínuo
DHR
Recuperação do etanol, solvente e ácido sulfúrico
O tempo de reação foi minimizado para limitar a degradação dos açúcares, principalmente
de glicose. A mistura da reação que sai do reator de hidrólise é rapidamente resfriado e
alimentado para uma coluna de destilação.
A lignina é separada a partir do licor, a qual é neutralizada com cal. Após a clarificação, o
licor hidrolítico está pronto para a fermentação. Este processo conseguiu os seguintes
rendimentos em escala de laboratório: sacarificação (88%), fermentação das hexoses (89%) e
destilação (99%). Com estes resultados obteve-se o rendimento de 109 litros de etanol por
tonelada de cana (ROSSEL, 2005).
Considerando-se o processo convencional, partindo-se de um hectare de plantio de cana e
a obtenção de 80 toneladas de cana-de-açúcar, obtém-se 80 litros de etanol, totalizando 6.400
litros de etanol por hectare.
Com a adição de uma planta de DHR e, partindo-se de 96 toneladas de cana integral,
incluindo o bagaço e a palha da cana, a partir do caldo, continua-se obtendo os 6.400 litros de
etanol, e mais 5.650 litros obtidos a partir da hidrólise do bagaço e palha da cana, resultando em
12.050 litros de etanol por hectare (ROSSEL, 2005).
18
2.3.2. Plataforma biotecnológica: Hidrólise enzimática
A hidrólise enzimática busca o aproveitamento de todas as frações da matéria-prima
celulósica, ou seja, a celulose, a hemicelulose e a lignina, sendo a celulose a principal fonte de
açúcares fermentescíveis, pois é constituída de glicose facilmente fermentada por Saccharomyces
cerevisiae em processos convencionais de produção de etanol (GALBE and ZACCHI, 2010).
Figura 2.7: Hidrólise Enzimática
(fonte: adaptado de WARZWODA et al., 2006)
Neste processo de conversão dos materiais ligno-celulósicos em etanol, conforme
mostrado na Figura 2.7 são necessárias as seguintes etapas:
deslignificação do material ligno-celulósico para separação da lignina, que impede o
acesso aos açúcares fermentescíveis;
hidrólise enzimática através de enzimas que utilizam micro-organismos como os
cogumelos pertencentes aos gêneros Trichoderma, Penicillium, Aspergillus ou
Schizophyllum, ou ainda através de bactérias anaeróbicas pertencentes ao gênero
Clostridium, as quais celulases e xilanases; e
19
a partir do vinho (hidrolisado) ocorre a fermentação alcoólica e a destilação para a
produção de etanol e resíduo (WARZWODA et al., 2006).
2.3.3 Plataforma termoquímica: Pirólise e gaseificação
Basicamente consiste na degradação térmica de material orgânico na ausência parcial ou
total de um agente oxidante, ocorrendo usualmente a partir de 400oC até a temperatura anterior a
gaseificação do material, com objetivo de obter produtos com maior densidade energética
(GOMEZ, 2009).
Atualmente, busca-se a obtenção de modificações na composição dos gases, líquidos e
sólidos produzidos, por meio do aumento das taxas de aquecimento e variações da temperatura
final de pirólise. Nesta tecnologia, depois da biomassa sofrer a combustão direta em processo de
conversão eficiente ou ainda, pelo gás de síntese obtido de sua gaseificação, pode alcançar
eficiências teóricas de conversão energética de 75% a 85%, baseada no poder calorífico inferior
dos energéticos (GOMES, 2011).
Este processo de pirólise rápida pode ser também um precursor de um processo de
gaseificação (Figura 2.8), o qual poderá atingir uma maior eficiência na conversão, podendo,
através da obtenção do gás de síntese obter produtos químicos, energia e combustíveis
(LUENGO et al., 2008).
Além da combustão direta da biomassa, outras tecnologias em desenvolvimento, como no
caso da gaseificação de biomassa integrada a células combustível podendo alcançar, mesmo que
teoricamente eficiência de conversão energética de 60%, (KINOSHITA et al., 2008).
Outras tecnologias em desenvolvimento como as microturbinas, podem alcançar
eficiência total na conversão maior que 80%, no caso de utilizada em sistemas de cogeração de
energia térmica e elétrica (LORA et al., 2008).
Os sistemas híbridos composto de células de combustível com turbinas a gás operando em
altas temperaturas demonstram as boas perspectivas para a geração de energia elétrica a partir de
biomassa, podendo alcançar eficiência da ordem de 70 a 80%. No entanto, ainda não existem
plantas comerciais que utilizem biocombustíveis em células a combustível, apenas testes de
laboratório, otimizações de algumas variáveis limitando-se a modelagem (LORA et al., 2008).
20
Figura 2.8: Processo de Pirólise Rápida integrada à Gaseificação
(Fonte: Adaptado de ALLONSO-PIPPO et al., 2004)
Pirólise
rápida
Bio-óleo
Carvão
vegetal
Biomassa
Gaseificação Gás de síntese
Biocombustível
Energia elétrica
2.3.4 Plataforma termoquímica: Combustão para geração de energia
Das tecnologias utilizadas para geração de energia elétrica a partir da biomassa, pode-se
citar a combustão direta acoplada a um ciclo de vapor, ou a um ciclo combinado de vapor e gás,
além da gaseificação.
Como exemplo, os sistemas a vapor, que utilizam caldeiras e turbinas a vapor com
capacidade usual na faixa de 25 MW a 50 MW, uma vez que para uma maior potência seria
necessário uma elevada quantidade de biomassa, podendo ser inviabilizado devido à logística e
custos (WALTER e NOGUEIRA, 2008).
Pode-se citar a logística necessária para a geração de excedente de energia em uma usina
padrão, conforme citado por Oliverio et al. (2010) para gerar 50,7 MW são moídos 12.000 ton. de
cana-de-açúcar por dia, havendo a necessidade da movimentação de 211 caminhões
transportando e disponibilizando a biomassa requerida diariamente.
Estas tecnologias de combustão estão estabelecidas e disponíveis comercialmente tanto
nos países desenvolvidos como nos países emergentes como China, Índia e Brasil (REN 21,
2012).
O processo de conversão de biomassa para a geração de energia elétrica pode utilizar a
rota tecnológica da combustão através da queima da biomassa em caldeiras para produção de
energia térmica e geração de energia elétrica, por meio de turbo-geradores, completando o
denominado ciclo Rankine. Este ciclo pode ter a sua eficiência aumentada pelo aumento das
pressões de operação e maior eficiência das turbinas.
O ciclo Rankine envolve o aquecimento de água pressurizada com o vapor superaquecido
resultante, no qual é expandindo por um turbo-gerador, tornando-se vapor saturado ou
condensado, dependendo do tipo de turbina, para reciclagem parcial ou total para a caldeira.
21
A troca de calor é usada em alguns casos para recuperar calor dos gases de combustão
para pré-aquecer o ar de combustão (pré-aquecedor), água de alimentação (economizador), e um
desgaseificador (desaerador) deve ser utilizado para remover o oxigênio dissolvido a partir de
água, antes de entrar na caldeira.
Nas aplicações usadas para gerar calor e energia são projetadas turbinas de contrapressão
ou de extração-condensação, nas quais o vapor é expandido para uma pressão acima ou abaixo da
pressão ambiente, respectivamente. O vapor que deixa a turbina de contrapressão é enviado para
o aquecimento na planta industrial e é condensado posteriormente. Em seguida, é parcialmente ou
completamente devolvido à caldeira em função da sua contaminação.
Outras tecnologias como o processo de gaseificação têm apresentado maiores eficiências
elétricas comparada com as tecnologias convencionais de caldeiras e turbinas a vapor em escalas
abaixo de 10 MW, porém ainda se encontram nos estágios piloto de desenvolvimento e
demonstração (REN 21, 2012).
Conforme Dermibas (2007), entre as tecnologias que possibilitam a conversão da
biomassa em combustíveis, cita-se a pirólise rápida obtida em um processo termoquímico que
consiste na degradação térmica da biomassa em ausência de ar (total ou parcial) a temperaturas
entre 352 e 6020C, transformando em um combustível sólido (carvão vegetal), líquido (bio-óleo)
e gasoso (gás). O rendimento destas frações depende da temperatura e do tempo de residência do
reator.
Cortez e Lora (2008), apresentaram um sistema de geração de energia via rota de
conversão termoquímica para pequenas escalas, temperaturas elevadas através da oxidação
parcial dos elementos combustíveis da biomassa com a produção de gás de síntese. A
gaseificação têm apresentado maiores eficiências elétrica comparada com as tecnologias
convencionais de caldeiras e turbinas a vapor em escalas abaixo de 10 MW, porém ainda
encontram-se nos estágios piloto de desenvolvimento.
Enquanto uma planta de gaseificação industrial convencional que utiliza combustíveis
fósseis necessita de até 150 hectares de área de terra e entre 2,5 a 15 quilo toneladas por dia de
matéria-prima (carvão ou coque de petróleo), as usinas de biomassa normalmente processam de
0,25 a 2 quilo toneladas de matéria-prima por dia e ocupam menos de 10 hectares (GTC, 2010).
22
Yanli et al. (2010) avaliaram o potencial de fontes de biomassa (palha de plantações,
resíduos florestais, resíduo animal, resíduos sólidos e líquidos urbano) para geração de
eletricidade na China. Os autores consideraram como base para a conversão 0,56 kWh de
eletricidade para cada kg de biomassa processada em um gaseificador de pequena escala, obtendo
os seguintes resultados: resíduos florestais (2,32x1012
kWh), palhas de plantações (1,16x1012
kWh), resíduo animal (3,58x1011
kWh), resíduos líquidos orgânicos (5,26x1010
kWh) e resíduos
sólidos urbanos (1,10x1010
kWh). Com a utilização destas biomassas para geração de energia
poder-se-ia substituir o consumo de 4,90x108 t de carvão, e reduzindo 7,53x10
8 t de CO2, e
garantir a segurança energética do país em tempos de crise energética e mitigar o aquecimento
global.
Outro exemplo de aplicação na geração de energia a partir de biomassa é citado por
Prakash (1998). O autor avaliou o potencial de substituição de combustível fóssil (gasolina) e
energia elétrica, por combustível renovável (etanol) a partir de bagaço de cana-de-açúcar. Uma
planta industrial típica da Índia foi considerado, aplicando tecnologia de conversão por
combustão (turbinas a vapor a 4,5 MPa) e capacidade de produção de 100.000 litros por dia de
etanol. O bagaço de cana-de-açúcar foi obtido a partir de uma usina que processa 8000 t/dia de
cana-de-açúcar, gerando 0,31 kWh/kg de bagaço de cana.
Moreira (2000) descreveu o aumento da eficiência na geração de eletricidade a partir de
bagaço e da palha de cana-de-açúcar, usando caldeiras e turbinas a vapor, com a redução da
quantidade de vapor em processos de fabricação de etanol e açúcar. Em sua análise, o autor
observou que com a redução de 500 kg para 280 kg de vapor por tonelada de cana-de-açúcar
processada e eficiência global de 20% para a geração de energia elétrica obtida foi de 0,33
kWh/kg de bagaço de cana-de-açúcar.
Oliverio et al. (2010b) apresentaram a eficiência de um sistema de geração de energia
(etanol e energia elétrica), a partir da cana-de-açúcar no Brasil, considerando um processamento
de 2,16 Mt de cana-de-açúcar por ano (12 kt /dia), com uso de caldeiras do Tipo Mono Tubo ou
Single Drum de 10 MPa e temperatura de 530ºC, capacidade para gerar 69,9 MW de potência e
excedente de 50,7 MW, obtiveram 0,50 kWh de eletricidade para cada kg de bagaço de cana-de-
açúcar.
23
Os resultados obtidos no processo de conversão de biomassa em eletricidade via
combustão com ciclo a vapor pelos trabalhos obtidos por PRAKASH (1998) e Oliverio et al.
(2010b), mostraram uma evolução no rendimento de kWh/t de biomassa e ficaram próximos dos
resultados obtidos via turbina a gás acoplada a gaseificação, ainda na fase de desenvolvimento
(MOREIRA, 2000). Isto também corrobora com Seabra (2008) e Seabra et al. (2010), que
conclui em seu trabalho que somente a tecnologia de conversão de biomassa convencional
através de ciclos a vapor é que está disponível comercialmente e ainda tem bastante potencial no
Brasil.
2.4. Matérias-primas alternativas para geração de bioenergia no Brasil
De acordo com a EPE (2013), em 2012, o Brasil gerou 592,8 TWh de eletricidade, sendo
constituída de: 455,6 TWh gerados por hidrelétricas, 46,8 TWh por gás natural, 40,3 TWh por
biomassa, 19,6 TWh por derivados de petróleo, 16,0 TWh por nuclear, 9,5 TWh por carvão e
derivados, e 5,5 TWh por eólica. Nesta composição obtêm-se 501,4 TWh (84,6%) gerados a
partir de fontes renováveis.
Estes dados foram menores do que os obtidos em 2011, que alcançou 88,9% da geração
de eletricidade a partir de fontes renováveis. Esta redução da participação de fontes renováveis
aconteceu, principalmente, devido às condições hidrológicas desfavoráveis e pelo aumento da
geração de energia elétrica por usinas térmicas que utilizam combustíveis fósseis (EPE, 2013).
Conforme o Plano Nacional de Energia para 2030, o aproveitamento do potencial de
biomassas no Brasil deve ser reforçado com a geração de alternativas de fontes renováveis e
geração distribuída de energia, que preservem a perenidade dos recursos naturais e humanos com
processos de produção permitindo a descentralização e a fixação das populações nas áreas rurais,
com geração de emprego, renda e qualidade de vida (EPE, 2013).
A distribuição da geração de energia elétrica a partir das biomassas é de 81,9% para o
bagaço da cana-de-açúcar seguida pelo licor negro, oriundo do processo de produção da indústria
de papel e celulose com 13,4%, 3,7% dos resíduos da madeira, 0,7% do biogás e 0,3% para a
casca de arroz.
24
Segundo dados da ANEEL (2013), conforme dados apresentados na Tabela 2.2, a
capacidade instalada na matriz de energia elétrica no Brasil é de 134 GW, sendo que 8,5%
fornecida por biomassa.
Tabela 2.2: Produção de biomassa por capacidade instalada no Brasil
(Fonte: ANEEL, 2013)
BIOMASSA PRODUÇÃO NACIONAL (%)
Bagaço da cana-de-açúcar 81,9
Licor negro 13,4
Madeira 3,7
Biogás 0,7
Casca de arroz 0,3
Para aumentar a geração de energia com mais alternativas, Bazmi (2011), refere-se aos
sistemas de geração de energia descentralizados e de pequena escala emergentes beneficiando a
utilização de mais de uma fonte de energia. Os sistemas de geração de energia podem ser
comparados por indicadores de eficiência energética, como kWh de eletricidade excedente gerada
por tonelada de biomassa processada.
Na busca de fontes alternativas de biomassa para a geração de energia elétrica, os
principais fatores que devem ser considerados e avaliados estão relacionados com a condição da
redução dos custos de transporte e estocagem da matéria-prima.
Neste sentido, podem-se avaliar fontes de biomassas que já tenham os seus custos de
transporte absorvidos por outros produtos, como geralmente acontece no caso dos alimentos, por
exemplo, o bagaço da cana-de-açúcar, que já teve o seu custo de transporte da matéria-prima, no
caso a cana-de-açúcar, absorvido pelos outros produtos fabricados na usina: açúcar e etanol
(BON et al., 2010).
Outros exemplos destes custos que já foram considerados por outros produtos obtidos
pelo mesmo processo produtivo a ser mencionado é a casca de arroz, que já teve seu custo
absorvido pela produção de arroz, assim como a serragem, que já teve o seu custo de transporte
viabilizado pela madeira processada e vendida (MACEDO, 2001).
25
2.4.1 Espécies de biomassa de resíduos florestais
Os resíduos florestais são aqueles materiais que permanecem no campo após as colheitas
(10 a 12% do total de biomassa produzida), resíduo proporcionado pelos processos de produção
da indústria moveleira, que utilizam madeira como matéria-prima; dos resíduos provenientes dos
cultivos destinados à produção de lenha ou carvão vegetal; e dos resíduos das florestas nativas
(ABRAF, 2013).
Somente na Amazônia Legal foram identificadas 2.226 empresas madeireiras em
funcionamento em 2009, as quais extraíram aproximadamente 14.200.000 m3 de madeira em tora
nativa, equivalente a 3.500.000 árvores, tendo o estado do Pará 47% desta extração. Deste
volume foi produzido 5.800.000 m3 de madeira processada e 8.300.000 m
3 de resíduos da
produção. Destes resíduos, somente 2.700.000 m3 foram aproveitados para a geração de energia.
A quantidade restante, 1.600.000 m3
foram aproveitados na produção de carvão vegetal,
2.000.000 m3
tiveram aproveitamentos diversos e 2.100.000 m
3 foram considerados resíduos sem
nenhum aproveitamento, sendo abandonados ou queimados como entulho (SFB, 2010a).
Um exemplo de como os resíduos de biomassa podem gerar energia elétrica de forma
independente e autônoma em relação ao uso de combustíveis fósseis, pode ser visto no projeto
implantado na Vila Porto Alegre do Curumu/Ilha de Marajó município de Breves, contendo 80
casas e, aproximadamente, 400 habitantes demandando 200 kW por mês.
Este município tinha como principal atividade econômica, o uso de madeira com
procedência certificada pelo IBAMA, para fabricação de cabos e bases para vassouras, gerando
um resíduo (serragem) de 2 toneladas por hora, desperdiçadas a cada dia. Com a implantação do
projeto de uso deste resíduo para a geração de energia, estes 200 kW foram obtidos por geradores
que consumiam 22.000 litros de óleo diesel por mês, suprindo a necessidade de energia da
população do município (COELHO, 2006).
2.4.2 Espécies de biomassa de resíduos agroindustriais
Com relação a principal fonte de biomassa proporcionada por resíduo agroindustrial, a
cana-de-açúcar está concentrada no Brasil, nas regiões Centro-Oeste, Sul e Sudeste, onde também
existe a maior concentração de usinas produtoras de açúcar, etanol e eletricidade, além do maior
26
consumo interno destes itens produzidos (UNICA, 2009). A produção total de cana-de-açúcar na
safra 2009/2010 teve o total de 603.056.367 toneladas no Brasil, sendo que 542.824.960
toneladas (90,01%) estão concentradas na região Centro-Oeste, Sul e Sudeste (MAPA, 2013).
Com a estimativa de que dois terços da cana-de-açúcar são transformados em resíduos, ou seja,
palha e bagaço têm-se 402.037.578 toneladas destes resíduos gerados no Brasil e de 361.883.667
toneladas na região Centro-Oeste, Sul e Sudeste.
No caso da casca de arroz, outro resíduo agroindustrial, tem-se a produção total no Brasil
de 9.447.257 toneladas de arroz em casca em uma área plantada de 2.409.589 hectares, com um
rendimento médio de 6.525 kg por hectare, referentes ao ano de 2006. Com a estimativa de que a
casca de arroz representa 22% deste total, portanto 503.109,58 toneladas deste resíduo são
geradas no Brasil (IBGE, 2013).
2.4.3 Espécies de biomassa de resíduos urbanos
Um tipo de resíduo urbano que pode ser aproveitado como fonte de biomassa alternativa é
a poda de árvores urbanas. Em levantamento realizado pelo CENBIO em 2007, 70 % dos
municípios descartavam os seus resíduos de poda de árvores em lixões ou aterros sanitários.
Segundo Cortez (2011), o resíduo proveniente das podas de árvores é composto, essencialmente
de materiais lignocelulósicos, por casca, galhos, ponteiros e folhas.
Cortez (2011) estudou a aplicação de podas de árvores para obtenção de energia elétrica.
O autor usou da tecnologia de combustão via ciclo Rankine, em uma caldeira com capacidade de
produzir 20 t/h de vapor, com pressão de 42 kgf/cm2, temperatura de 420
oC, turbina com pressão
de 45 bar, temperatura de 450oC, com potência máxima de 1700 kW e fator de capacidade de 0,9
(7884 horas/ano), obtendo 12.063 MWh/ano de energia elétrica excedente a partir de 40 kt/ano de
resíduo de poda de árvores (equivalente a 0,30 kWh/kg de poda de árvores).
O aproveitamento deste tipo de resíduo urbano tem como objetivo, além da possível
geração de energia, retirar as partes das árvores que podem colocar em risco os habitantes do
município, em relação à eliminação de partes danificadas ou mortas ou que interfiram nas
edificações ou equipamentos urbanos, além da poda de formação, importante para o
desenvolvimento da árvore (CORTEZ, 2011).
27
Como exemplo do potencial energético deste tipo de resíduo urbano pode-se citar o caso
no município de Pato Branco, no estado do Paraná, que, com uma área de 71,23 km2 e possuindo
10.000 árvores no município, gerava 6.000 toneladas de resíduo de poda de árvores por ano. Esta
quantidade de biomassa é suficiente para abastecer uma caldeira de leito fluidizado e suprir uma
fábrica com produção de 60.000 toneladas de ração por ano (MACCARINI, 2007).
Outro tipo de resíduo urbano é o coco-da-baía (verde), provocado pelo consumo da água
contida neste fruto e o seu descarte inteiro (epicarpo, mesocarpo e endocarpo), nos centros
urbanos, que teve sua produção total do Brasil na safra de 2010 de 1.891.687 t, com uma área
plantada de 276. 616 hectares (IBGE, 2010).
Segundo levantamento realizado pelo CENBIO (2012) a partir de dados fornecidos pelo
IBGE (2009), a região nordeste gerou a energia de 318.877,31 MWh/ano, representando 67,8%
do potencial energético a partir a partir da biomassa casca de coco.
2.4.4 Espécies de biomassa de plantios e florestas energéticas
As culturas agrícolas destinadas especificamente para geração de energia são divididas em
florestas e plantios energéticos. Florestas energéticas são usadas para culturas lenhosas, produção
de madeira (silvicultura). Ex.: eucalipto e pinus, enquanto o plantio é usado para culturas perenes
destinadas a produção de madeira, sendo culturas não-lenhosas (ex. gramíneas: capim-elefante,
cana-de-açúcar).
Embora as biomassas a partir de resíduos apresentem atrativos em função dos custos, a
alternativa de plantações específicas de florestas para uso energético tem sido bem avaliada,
principalmente no Brasil, pelo baixo custo das plantações de madeira e elevado aumento da
produção da indústria de celulose. A cada momento torna-se mais necessário o aumento das
florestas energéticas, que são cultivadas com o destino específico para a geração de energia. O
setor de maior produção e consumo destas florestas é o de papel e celulose.
A produção nacional de papel, em 2010, foi de 9.800.000 de toneladas, sendo 4.800.000
destinadas às embalagens e 4.000.000 toneladas destinadas à impressão. Já a produção nacional
de celulose foi de 14.100.000 toneladas em 2010, colocando o Brasil no quarto lugar no ranking
mundial de produtores de celulose. Desta quantidade produzida, 8.800.000 toneladas foram
destinadas às exportações, atingindo o valor de US$ 4.800 milhões (ABRAF, 2013).
28
Estas florestas energéticas, principalmente com o cultivo de Eucaliptus e pinus, têm a
finalidade de substituir tanto o carvão mineral e carvão vegetal proveniente de florestas nativas,
quanto na geração direta de energia térmica e elétrica por meio de processos de conversão
disponíveis. Em 2010, as florestas energéticas cultivadas no Brasil totalizaram 6.510.693
hectares, sendo 73% correspondente ao plantio de Eucalyptus (ABRAF, 2013). Dos 4.754.334
hectares de Eucalyptus cultivados no Brasil, 1.400.000 hectares foram cultivados no Estado de
Minas Gerais (ABRAF, 2013).
Outra fonte alternativa de matéria-prima, segundo SILVA (2012), é o plantio específico
para fins energéticos de espécies como a gramínea capim-elefante, que apresenta um grande
potencial para geração de energia, pois além de poder ser cultivado em diferentes regiões e
pequenas propriedades rurais, possui perenidade e permite a colheita em até noventa dias após a
semeadura. Além disso, a sua produtividade chega a quarenta toneladas por hectare de área de
terra cultivada. Esta capacidade de produção em ciclos de curta duração e com a produtividade de
aproximadamente o dobro da biomassa produzida pela madeira de Eucaliptus, torna o capim-
elefante uma próspera opção de plantio energético (ZANETTI et al., 2010).
2.5. Fluxo Energético Renovável dos Processos de Produção de Biocombustíveis
A geração de energia elétrica usando como matéria-prima biomassa tem como
características principais, a baixa densidade e a diversidade de sua localização, demandando
investimentos para a sua coleta e transporte para a sua estocagem, além do fato das tecnologias de
conversões convencionais apresentarem necessidade de economia de escala. Quanto maior a
capacidade da tecnologia aplicada, maior a eficiência de conversão e menor o investimento por
unidade de insumo (MACEDO, 2001).
Tendo como ponto central o aspecto do desenvolvimento econômico e social,
considerando que este esteja em equilíbrio com a questão ambiental, é essencial que os
investimentos e as rotas tecnológicas levem em consideração a escassez e preservação de
recursos naturais, assim como o desenvolvimento de processos que usem materiais e energia de
fontes renováveis.
29
Neste sentido, inovações tecnológicas que procuram reduzir o consumo de energia e água
são exemplos para esta nova tendência para o desenvolvimento de produtos, como no caso da
produção de etanol de cana-de-açúcar, que disponibiliza atualmente, tecnologias com estes
propósitos em todas as etapas do processo produtivo, desde o preparo e recepção da cana-de-
açúcar na usina, até na geração de vapor e energia elétrica como excedente para ser vendida a
rede.
Para as alternativas de matérias-primas para produção de etanol, a cana-de-açúcar tem o
melhor índice de renovabilidade no processo de produção. Observa-se na Tabela 2.3, que é
favorável a produção de etanol produzido a partir da cana-de-açúcar em comparação a produção
do mesmo a partir do milho (EUA) e beterraba (União Européia), enquanto que os resíduos ligno-
celulósicos apresentam grande potencial em termos da energia renovável que é gerada em relação
à energia fóssil que é consumida para a sua produção (MACEDO et al., 2008).
Tabela 2.3: Energia renovável x energia fóssil de matérias-primas para a produção de etanol
(*Estimativa teórica, processo em desenvolvimento)
MATÉRIA-PRIMA
DE FONTE RENOVÁVEL
RAZÃO ENTRE ENERGIA
RENOVÁVEL E ENERGIA FÓSSIL
Cana-de-açúcar 9,3
Milho 0,6 – 2,0
Trigo 0,97 – 1,11
Beterraba 1,2 – 1,8
Mandioca 1,6 – 1,7
Resíduos lignocelulósicos 8,3 – 8,4*
Fontes: BNDES (2008) e GOLDEMBERG et al. (2008b)
Os fluxos energéticos dos processos de produção de biocombustíveis são considerados em
três níveis:
energia gasta com combustíveis e energia elétrica consumida na produção agrícola,
produção industrial e transportes;
energia gasta para a produção de outros insumos para a etapa agrícola e industrial, e
30
energia gasta para a produção e manutenção de equipamentos, instalações e edificações.
Estes fluxos energéticos de consumo de energia são relacionados com a energia renovável
produzida através do balanço energético e da relação energia renovável dos produtos e energia
fóssil consumida com os insumos (MACEDO et al., 2008).
A estimativa teórica citadas nas referências BNDES (2008) e GOLDEMBERG et al.
(2008a) não contempla o tipo de processo que supostamente estaria em desenvolvimento.
Para que o Brasil aproveite as vantagens comparativas, é necessário que existam
competências tecnológicas e de gestão para o desenvolvimento de novos processos e produtos. É
com este propósito que a análise da eficiência energética renovável de outras fontes alternativas
de biomassa, possibilita subsídios para a escolha mais adequada como alternativa para
substituição de fontes fósseis ou com maior custo energético.
Os conteúdos energéticos de consumo de energia são baseados na relação da energia
renovável gerada pelos produtos e energia fóssil consumida com os insumos para a sua produção.
De acordo com Prakash (1998), esta relação também pode ser descrita pela energia líquida (N),
como sendo a energia total produzida (G) pelo combustível durante a combustão menos o total de
energia gasta nos processos para a sua produção (F), ou seja, N = G – F.
Conforme Malça (2003), na perspectiva agrícola, o indicador de eficiência é mostrado
através da utilização de energia fóssil, podendo esta ser medida pela relação da energia total
disponibilizada pelo biocombustível produzido (MJ) por unidade de superfície cultivada
(hectare).
Esta análise energética é mostrada juntamente com a análise emergética, na forma de Joules
por hectare.ano, permitindo avaliar o conteúdo energético de cada biomassa em uma mesma base
de comparação.
2.6. Análise Emergética em Sistema Produtivos
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 seu ciclo de vida. Como ciclo de vida de um produto considera-
se a soma da energia total, direta ou indiretamente incorporada nas formas de energia renovável e
31
não renovável dos materiais (equipamentos, instalações, insumos), trabalho humano e da natureza
(sol, chuva, vento) necessários para produzir um dado bem ou serviço, sendo expressa em
equivalente de Joules de energia solar (seJ/J) (ODUM, 1996; BASTIANONI, 2005; ZHANG,
2010).
Segundo Odum (1996), 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 que são mais sustentáveis. Os recursos naturais (I) são
classificados em renováveis (R) e não renováveis (N), e os recursos da economia (F), são
classificados em materiais (M) e serviços (S), conforme mostrado na Figura 2.9.
Os recursos renováveis (R) são provenientes do fluxo de energia que conduz os processos
químicos e biológicos da natureza (sol, chuva, vento).
Os recursos não-renováveis (N) são o estoque de energia e matéria-prima como os
minerais, solo e combustíveis fósseis, consumidos nos processos de formação geológica.
Os recursos da economia (F) são formados pela energia dos combustíveis, bens e serviços
oriundos das atividades humanas e a somatória das emergia dos recursos utilizados é a emergia
total (Y).
A energia produzida pelo sistema produtivo, na forma de produtos é denominada (E).
Após a construção do diagrama sistêmico (Figura 2.9) que represente o processo ou
sistema escolhido, é elaborada uma tabela para organização dos dados de cada linha dos fluxos de
entrada do diagrama para avaliação dos fluxos de energia em unidades por ano e, com as
transformidades de cada item, convertidas em uma unidade padrão (seJ/ano).
A somatória das emergias provenientes dos recursos naturais e da economia (Y) pode ser
analisada pelos indicadores de processos emergéticos. Os indicadores emergéticos utilizados por
Odum (1996) são:
Transformidade (Tr): emergia total / energia do produto;
Razão de Rendimento Emergético (EYR): emergia total/emergia da economia;
Razão de Investimento Emergético (EIR): emergia da economia/emergia da natureza);
Razão da Carga Ambiental (ELR): emergia recursos não-renováveis/emergia recursos
renováveis;
Porcentagem de Renovabilidade (%R): emergia dos recursos renováveis/emergia total), e
32
Razão de Intercâmbio Emergético (EER): emergia cedida/emergia recebida.
A transformidade (Tr), como principal indicador emergético, é descrito como a razão
entre a emergia acumulada ou incorporada necessária para fabricação de um produto e a energia
contida no produto gerado. Sua unidade de medida é em sej/J (emergia por unidade de energia).
Este parâmetro representa o esforço da natureza e ambiente em termos emergéticos para a
produção de um produto ou processo. A transformidade depende dos processos envolvidos na
execução do sistema produtivo, podendo variar de acordo com as energias incorporadas na
produção. Quanto menor o valor, menos esforço da natureza, que varia de 1,0 sej/J para o Sol até
1,0E+15 sej/J para formação de espécies biológicas (ODUM, 1996; ALBUQUERQUE, 2012).
Figura 2.9: Diagrama genérico de um processo emergético
(fonte: ODUM, 1996)
Na Tabela 2.4 estão mostrados exemplos de valores de Tr para alguns sistemas de geração
de eletricidade usando matérias-primas fósseis e renováveis, que são capazes de gerarem energia:
sólido (carvão), gás (gás natural) e líquidos (etanol, petróleo, diesel e água).
De acordo com Zhang (2010) os valores das transformidades dependem das fontes e dos
processos de produção envolvidos e esta afirmação é também demonstrada pelos valores obtidos
33
por Bastianoni e Marchettini (1996) ao obterem valores distintos de transformidades para o etanol
produzido a partir da cana-de-açúcar: 1,03x105 sej/J no Brasil; 1,40x10
5 sej/J na florida (EUA) e
9,30x104 sej/J na Louisiana (EUA), assim como por diferente fonte de biomassa como no caso da
Itália, a partir de uva (7,62x105 sej/J).
Tabela 2.4: Transformidade de matérias primas e energia de diferentes processos
Matéria-Prima Transformidade (sej/J) Referência
Carvão 6,72 x 104
Zhang (2010)
Gás Natural 4,84 x 104
Diesel 6,6 x 104
Cana-de-açúcar 2,4 x 104
Etanol de cana-de-açúcar – Brasil 1,03 x 105
Bastianoni e
Marchettini
(1996)
Etanol de cana-de-açúcar – Luisiana 9,30 x 104
Etanol de cana-de-açúcar – Florida 1,40 x 105
Hidroelétrica de Belo Monte 1,35 x 104 Morelli (2010)
Hidroelétrica de Tucuruí 6,49 x 104
Wittmann e
Bonilla (2009),
Os valores de Tr obtidos pela energia renovável gerada pelas hidrelétricas são menores do
que os obtidos pelos combustíveis fósseis. Isto pode ser visto pelos resultados da transformidade
obtidos por Morelli (2010) e Wittmann e Bonilla (2009), calculado para as usinas de Belo Monte,
localizada no Município de Altamira, no Estado do Pará, Brasil, e da usina de Tucuruí, no
Município de Tucuruí, Estado do Pará, Brasil, de 1,35x104 sej/J e 6,49x10
4 sej/J,
respectivamente.
Corsini et al. (2011) utilizou indicadores de emergia para medir o uso de recursos naturais
oriundos de fontes renováveis (N), não-renováveis (N) e da economia (F) na geração de energia
elétrica a partir de resíduos agrícolas (Usina autônoma de produção de etanol) e resíduos urbanos
(Estação de Tratamento de Esgoto – ETE) e obtendo resultados que demonstraram a vantagem da
usina autônoma em relação à ETE no que tange ao melhor aproveitamento dos recursos naturais
34
(R e N), com a menor transformidade (usina autônoma = 2,12 x 105 sej/J e ETE = 3,05 x 10
5
sej/J) e maior rendimento emergético (EYR da usina autônoma = 1,67; EYR da ETE = 1,39).
Outro indicador importante é o Razão de Rendimento Emergético (EYR), que indica a
contribuição da emergia proveniente do sistema de produção para a economia, que consome o
produto ou serviço. Quanto maior o valor do índice, melhor é o sistema de produção (ORTEGA,
2013).
Brown e Ulgiati (2004) descreveram o EYR como sinalizador da capacidade do sistema
produtivo na exploração dos recursos naturais e da economia local, transformando-os em
produtos. Se o valor de EYR for próximo a um, o sistema consome tanta emergia quanto a que
disponibiliza à economia. Valores de EYR menores de 2 são indicativos de baixo impacto
ambiental. Pela experiência dos autores acreditam que valores de EYR menores que 5 são
indicativos de fontes secundárias de energia e materiais primários como aço e cimento. Fontes
primárias de energia possuem geralmente EYR maior que 5. Além disso, processos que tem
produtos com EYR com valores menores do que 2, provavelmente não contribuem o suficiente
para ser considerada uma fonte de energia e agem mais como produtos de consumo ou etapas de
transformações.
Odum (1996) obteve EYR na ordem de 6 para o petróleo dos EUA (1991), enquanto que o
petróleo do Alaska foi de 11 e do Oriente Médio teve valor de 13,1. No caso do etanol de cana-
de-açúcar, Bastiononi e Marchettini (1996), apresentaram o valor de 1,62.
Segundo Yang et al. (2011), o EYR é usado para estimar a dependência do processo em
relação a insumos adquiridos e para mostrar a contribuição ambiental na economia da região,
observou que quanto maior o valor desse índice, maior o retorno obtido por unidade de emergia
investido. Isto mostra a habilidade do sistema em explorar e tornar disponíveis (na forma de
produtos) recursos locais através do investimento em recursos externos da economia. Esse índice
é muito importante, pois na atual conjuntura econômica mundial de energia fóssil e minerais,
indica que o uso de menos energia provinda dessas fontes será mais vantajoso no futuro devido à
sua escassez.
Conforme Brown e Ulgiati (2004), a porcentagem de Renovabilidade (%R) expressa o
valor porcentual de recursos renováveis utilizados para a produção de um produto ou processo.
Quanto maior o valor, maior a renovabilidade do processo ou sistema avaliado e preservação dos
35
recursos naturais em longo prazo. Somente sistemas ou processos de produção com uma alta
porcentagem de emergia renovável prevalecerão ao estresse do mercado atual, enquanto aqueles
que utilizam alta porcentagem de recursos não-renováveis (fósseis), certamente entrarão em
declínio.
36
Capítulo 3 - MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são descritos os materiais, planta industrial de referência, cálculos e
métodos realizados para obtenção dos dados e metodologia utilizada para avaliação da eficiência
energética renovável relativa de diversas biomassas sendo estas em grande parte estudadas no
Laboratório de tecnologia de partículas e processos multifásicos/FEQ/UNICAMP.
3.1. Materiais usados
As matérias-primas escolhidas para o desenvolvimento deste trabalho foram escolhidas
levando-se em consideração a capacidade instalada de geração de energia elétrica no Brasil
conforme Tabela 2.2 (ANEEL, 2013).
Os dados experimentais foram obtidos a partir de Farias (2012) e Lourenço (2012), com
as seguintes biomassas: bagaço da cana-de-açúcar (Saccharum officinarum Linnaeus), casca de
arroz (Oryza sativa Linnaeus), resíduos agroindustriais da madeira caixeta (Tabebuia cassiniodes
Lam.) e da madeira jequitibá rosa (Cariniana legalis (Mart.) Kuntze); dos resíduos urbanos: poda
de árvores, fibra de coco (Cocos nucifera); e floresta energética – cultura agrícola de produtos
lenhosos ou silvicultura: eucalipto.
No caso do plantio energético, que são provenientes de culturas não-lenhosas, foi
utilizado o capim-elefante, com dados obtidos por Silva (2012).
O bagaço da cana-de-açúcar foi proveniente da usina São José S/A Açúcar e Álcool, do
município de Rio das Pedras, São Paulo (FARIAS, 2012).
O resíduo urbano da fibra de coco foi coletado em áreas de lazer de Campinas/SP e sua
fibra foi fornecida gentilmente pelo Laboratório de Embalagens de Alimentos da Faculdade de
Engenharia de Alimentos FEA/UNICAMP (FARIAS, 2012).
Os resíduos das madeiras caixeta e jequitibá rosa foram fornecidos pela indústria
moveleira Dalben, sediada no município de Campinas, São Paulo (FARIAS, 2000).
Os dados referentes ao resíduo urbano da poda de árvores foram obtidos a partir de Cortez
(2011).
O detalhamento destas biomassas pode ser encontrado nas referências acima citadas.
37
Os dados experimentais de propriedade térmica e poder calorífico superior (PCS) usados
neste trabalho (Tabela 3.1) foram obtidos por Cortez (2011), Silva (2012), Farias (2012) e
Lourenço (2012) e o poder calorífico inferior (PCI) foram calculados a partir da Equação 1 (LA
SCALLA et al., 20102):
PCI(kcal/kg) = poder calorífico superior − (calor latente da água x molécula de água x %H)
portanto PCI = PCS – [600 x (9 x H/100) ] (1)
onde o calor latente da água é a energia absorvida/kg de água para atingir a temperatura de
evaporação (hlv = 600 kcal/kg ) e o H é o teor de Hidrogênio (%) contido na biomassa.
Os teores de Hidrogênio considerados foram: bagaço de cana-de-açúcar: 5,9% (SEYE et
al., 2003); casca de arroz: 5,8% (PAULA, 2001); Fibra de coco: 6,74% (FIGUEIREDO, 2011);
resíduo das madeiras Jequitibá-rosa e Caixeta: 6% (KLOCK, 2005).
Tabela 3.1: Poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI) das biomassas
Biomassas PCS (MJ/kg)
Base seca
PCI (MJ/kg)
Base seca
PCI (kcal/kg)
Base seca Referência
Poda de árvores - 9,00 2150 CORTEZ (2011)
Capim-elefante 18,44 17,14 4094 SILVA (2012)
Bagaço de cana-de-açúcar 18,07 16,73* 3995
FARIAS (2012)
Casca de arroz 15,56 14,25* 3403
Resíduo de caixeta moída 18,84 17,45* 4168
Resíduo de jequitibá-rosa 18,88 17,50* 4180
Casca de coco 17,91 16,39* 3914
Eucalipto 19,76 18,11 4326 LOURENÇO (2012)
* Calculados a partir da Equação (1) e dados dos autores das referências indicadas
3.2. Estudos de Caso
Dois estudos de casos foram realizados os quais se basearam na produção integrada de
etanol e bioenergia (caso 1) e a produção independente de bioenergia (caso 2).
38
A rota tecnológica escolhida para a avaliação dos casos foi a combustão (termoquímica),
usando vapor para suprir caldeiras e turbo-geradores para a geração de eletricidade. Esta
tecnologia evita a necessidade de novos investimentos em equipamentos, pois já são utilizadas
nas usinas existentes no Brasil.
3.2.1. Caso 1: Usina de produção integrada de etanol e bioenergia
Na Tabela 3.1 é apresentado um esquema de uma usina industrial de geração de energia
elétrica integrada à produção de etanol e açúcar que foi utilizada como referência.
Figura 3.1: Usina de produção de etanol e bioenergia de referência
(fonte: OLIVERIO et al., 2010b)
Esta usina utiliza como fonte de biomassa o próprio resíduo do processo de obtenção do
etanol e açúcar, o bagaço da cana-de-açúcar. Portanto, esta matéria-prima somente está
disponível no período da safra da cana-de-açúcar.
39
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, ou
seja, a partir de 500 t/h de processamento de moagem da cana-de-açúcar, são gerados 136,8 t/h de
bagaço de cana-de-açúcar que alimentam uma caldeira e produz 170 t/h de vapor.
O vapor superaquecido é conduzido para um turbo-gerador e gera a potência de 69,9 MW,
sendo 19,2 MW são destinados aos processos de produção de etanol e 50,7 MW são excedentes
para fornecimento à rede de distribuição de energia elétrica.
A proposta apresentada é a utilização de outra fonte de biomassa para o período de
entressafra da cana-de-açúcar como alternativa para a geração adicional de energia elétrica
excedente, podendo ser disponibilizada à rede de distribuição e como fonte de geração de receita
para a usina, aproveitando o período que usualmente somente é gerado despesas com manutenção
e reformas dos equipamentos e instalações.
3.2.2 Caso 2: Usina autônoma de geração de bioenergia
O segundo estudo de caso (Figura 3.2) é referente a uma planta geradora de eletricidade
independente.
Para tal foi utilizado uma planta em operação pelo CEASA (CEASA, 2012), unidade de
Campinas/SP/Brasil, em substituição ao combustível fóssil (óleo diesel). As condições
operacionais desta usina são descritas a seguir.
A usina apresenta uma potência de 1800 kW para operação de 60 horas mensais ou 720
horas anuais, com geração diária de 1.200 kWh ou 432000 kWh/ano. Para esta geração há um
consumo de 20.000 litros de diesel/mês. É composta por um tanque de armazenamento de óleo
diesel com capacidade de 15000 L. Possui 6 alternadores de 300 kW de potência, sendo que
opera com 4 e 2 ficam de back-up. Esta usina funciona de segunda e sexta-feira, no horário das
18:00h. as 21:00h., tendo um consumo anual de 240000 L de óleo diesel.
40
Figura 3.2: Usina geradora de energia elétrica movida a diesel
(fonte: CEASA, 2012)
3.3. Metodologia
3.3.1 Determinação da massa das biomassas avaliadas para geração de eletricidade
Para a determinação da conversão energética das biomassas foi considerada a tecnologia
de combustão em caldeiras e geração de eletricidade por meio de turbo gerador e turbinas, via
ciclo de Rankine, considerando-se os respectivos poder calorífico inferior (Tabela 2) das
biomassas pesquisadas, com a eficiência de conversão (ŋ) de 30%. Para a determinação da massa
de biomassa necessária para a geração de 1 MW foi utilizada a Equação 2 (CENBIO, 2012 e La
SCALIA et al,2012), considerando a operação de uma planta térmica, trabalhando 24 horas por
dia e 360 dias por ano, com um fator de capacidade operacional de 0,90, totalizando 7776 horas,
ou seja, a operação nos 360 dias do ano é da planta térmica proposta, em um caso 180 dias no
período de safra da cana em uma usina integrada de produção de etanol e energia mais 180 dias
com a utilização de um biomassa alternativa, justamente no período da entressafra. E a outra
proposta, 360 dias de operação em uma usina térmica autônoma com biomassa alternativa.
41
As condições de operação pressupostas para a potência de 1000 kW, operada 7776 h/ano
(360 dias x 24 h. x 0,90), sendo 5 dias de paradas, operando 24 horas por dia e 90% de
capacidade operacional, com rendimento da tecnologia de conversão de 30%, haverá a geração de
7.776.000 kWh de energia elétrica.
E = P x H = m x PCI x C x (2)
onde: E = Energia elétrica gerada (kWh)
P = Potência elétrica gerada (kW)
m = massa de biomassa requerida (kg/ano)
PCI (biomassa) = Poder calorífico da biomassa (kcal/kg)
C = conversão de kcal para kWh = 860
= Rendimento da tecnologia de conversão
H = quantidade de horas de operação anual (h)
A memória de cálculo está apresentada no Apêndice 1.
3.3.2 Determinação da produtividade das biomassas avaliadas para geração de eletricidade
Para o cálculo da produtividade das biomassas avaliadas foi adaptada a metodologia
adotada pelo CENBIO (2012), na qual são usados, para o cálculo de resíduos agrícolas, índices
de resíduos específicos para cada tipo de biomassa, considerando-se a produção média anual (kg)
e a área colhida de cada cultura anual (ha) nas cinco regiões do Brasil (Tabela 3.2).
A seguir são descritas as memórias de cálculos para as produtividades calculadas
considerando-se os seguintes índices:
1) Casca de arroz
a. Índice do resíduo 30% do peso total do arroz com casca
2) Fibra de coco
a. Índice do resíduo 60% do total do coco
3) Resíduos de madeira
a. Índice do resíduo 50% do total da madeira
42
No caso do plantio energético (capim-elefante) e floresta energética (eucalipto), foram
utilizados dados da literatura conforme mostrados na Tabela 3.2. Nesta tabela são apresentadas,
para cada biomassa, o valor da produtividade, o cálculo usado para a sua obtenção e as
referências usadas.
Tabela 3.2: Produtividade das biomassas avaliadas
UTD Biomassa Produtividade
(kg/ha.ano) Cálculo Referências
1 casca de arroz 1238 4127 kg/ha x 0,30 IBGE (2010)
2 fibra de coco 4131 6885 kg/ha x 0,60 IBGE (2010)
3 poda de árvore 258 (7000000 kg/ano)/27100 ha CORTEZ (2011)
4 resíduo jequitibá
rosa
5425 [(21,70 m3/ha.ano) x (0,50 g/cm3)] x 0,50 CARVALHO (2005)
5 resíduo caixeta 4604 [(23,61 m3/ha.ano) x (0,39 g/cm3)] x 0,50 NOLASCO e VIANA (2004)
6 eucalipto 25420 (41 m3/ha.ano) x (0,62 g/cm3) CENBIO (2012)
7 capim-elefante 40000 Produtividade da cultura ZANETTI et al.(2010)
8 bagaço de cana 11700 (0,134 t de bagaço) x 87,1 tc/ha MACEDO et al.( 2008)
3.3.3 Determinação de Indicadores Emergéticos
A avaliação emergética foi desenvolvida em diferentes etapas.
Em primeiro lugar, foi elaborado, conforme Odum (1996), um diagrama detalhado do
sistema produtivo (Figura 3.3), com o objetivo de identificar as principais contribuições para os
fluxos de entrada e saída de energia e materiais.
Estas contribuições foram representadas por símbolos a fim de identificar os processos e
fluxos de energia e materiais, permitindo a compreensão do sistema avaliado.
Os primeiros dados implementados são relativos à contribuição da Natureza (I), onde
inclui os recursos naturais renováveis (R) e os não-renováveis (N). Depois são listados os
recursos da economia (F), divididos em materiais (M) e serviços (S). No final tem-se o total de
emergia (Y) utilizado pelo sistema adotado, que é a soma de I com F.
43
Listados estes recursos foram feitas as conversões respectivas de cada fluxo de entrada
para fluxos de emergia solar equivalente através da multiplicação com o fator de conversão em
unidade padrão consultadas em tabelas de transformidade (ZHANG, 2010).
Figura 3.3: Diagrama da emergia para a geração de eletricidade a partir de biomassas
Com isso foi possível calcular os fluxos emergéticos escolhidos para este estudo sendo
estes: Renovabilidade (%R), Transformidade inversa (Tri), e Razão do Rendimento Emergético
(EYR), conforme as Equações 3 a 5.
44
Transformidade reversa (Trr) = E/Y (3)
onde: Tr = Transformidade (sej/J)
f = fluxo de entrada (kg, L, kWh/m2, h, USD, R$, J)
E = Energia produzida (J)
Y = ∑ f.Tr = Emergia total (sej/J)
Renovabilidade (%R) = 100 R / Y (4)
onde: R = Recursos renováveis usados no ciclo de produção (%)
Y = Emergia total (sej/J)
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y / F (5)
onde: Y = Emergia total (sej/J)
F = Recursos econômicos utilizados no ciclo de produção
Importante destacar que todos os valores levantados para os fluxos de entradas de
materiais e energia foram quantificados em termos anuais por hectare, considerando-se a
produção da cultura agrícola.
Os dados de consumo de energia (fluxo de entrada) foram obtidos de Pereira (2008), os
referentes aos Recursos Renováveis e Serviços, de Agostinho (2009) e os dados referentes aos
Materiais, de Moreira et al. (2005).
As fontes de biomassa que são geradas a partir de resíduos (agroindustriais e urbanos)
apresentam a mesma sequência de processos que são similares nos diagramas emergéticos, assim
como para os processos de geração a partir de florestas (eucalipto) e plantios (capim-elefante)
energéticos.
Todavia, estão demonstrados no Apêndice 2 o detalhamento da elaboração de cada etapa
dos fluxos emergéticos das biomassas avaliadas.
Também é ressaltado que, conforme Van den Bergh e Verbruggen (1999), os aspectos que
envolvem a sustentabilidade diferem entre regiões e países, pois são dependentes da tecnologia
disponível aplicada e das características geográficas, incluindo o clima e tipo de solo, além da
45
disponibilidade e custo da terra e a produtividade no caso de plantios e florestas dedicadas à
geração de energia.
Para a realização dos cálculos deste trabalho, que envolve as características geográficas e
climáticas, foram consideradas as latitudes e longitudes referentes à região de Campinas,
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08, pois tanto os resíduos agroindustriais (bagaço de cana-de-
açúcar) e resíduos das indústrias moveleiras (caixeta e jequitibá-rosa) utilizados, assim como as
florestas energéticas de eucalipto e os resíduos urbanos (fibra de coco e poda de árvores), estão
localizadas na região de Campinas. No caso do bagaço de cana-de-açúcar, foi proveniente de
Piracicaba e o eucalipto (grande concentração em Mogi Mirim), ambas as cidades pertencentes à
região de Campinas.
3.3.4 Eficiência relativa através da Análise Envoltória de Dados - AED
Com os fluxos e indicadores emergéticos conhecidos, utilizou-se a análise envoltória de
dados para cálculo da eficiência energética renovável relativa.
A Análise Envoltória de Dados (AED) – Data Envelopment Analysis(DEA) é um método
não paramétrico de análise de eficiência de uma unidade ou processo, alternativa aos métodos
estatísticos tradicionais, que permite a estimativa da eficiência relativa mediante comparação
entre as unidades operacionais ou processos produtivos (CHARNES et al., 1978; BANKER et
al., 1984; GOMES e MANGABEIRA, 2001; ZHANG et al., 2008).
O modelo AED escolhido para este trabalho foi o de Retorno Constante de Escala
(Constant Returns to Scale – CCR), desenvolvido por Charnes, Coopers e Rhodes (1978), pois o
objetivo foi minimizar as quantidades de massa de biomassa por hectare e transformidade,
maximizando os dados de saída referente à renovabilidade e rendimento emergético, compondo-
se assim, a eficiência energética renovável da unidade tomadora de decisão.
Cada fonte alternativa de biomassa foi tomada como uma Unidade Tomadora de Decisão
(UTD). Isto significa que para cada biomassa avaliada, foram comparados os resultados da
relação entre os seus dados de saída e entrada em relação aos dados de saída e entrada das outras
unidades (UTD), formando-se a eficiência relativa. Neste modelo a eficiência de uma UTD é a
maior relação da produtividade entre as saídas e entradas no conjunto de UTDs avaliadas, sendo
considerada eficiente a que apresentar a melhor relação (saída j)/(entrada i).
46
As variáveis selecionadas para o modelo (Figura 3.4), são compostas de entradas (x1 e x2)
e saídas (y1 e y2), sendo estas representativas no processo de geração de energia renovável e
sustentável. A variáveis escolhidas para este estudo foram: massa de biomassa requerida,
transformidade, renovabilidade e razão do rendimento emergético.
Figura 3.4: Variáveis para determinação da Eficiência Energética Renovável Relativa
entradas saídas
x1: Massa (ton./ ano)
x2: Transformidade - Tr (sej/J)
y1: Renovabilidade - %R (%)
y2: Rendimento Emergético - EYR
processamento
EERRResultados
(valores de 0 – 1)
As definições das variáveis estão apresentadas a seguir.
x1 – Massa (M): quantidade de biomassa requerida para a geração. Esta quantidade demonstra
o quanto o local ou região deverá fornecer a matéria-prima para a geração da energia desejada;
x2 – Transformidade (Tr): A transformidade (Tr) é um índice que permite avaliar a emergia de
um processo produtivo em uma base comum (Equação 3), a energia solar, considerando todos os
insumos do processo, incluindo a energia de diferentes tipos (ex.: recursos naturais, materiais e
serviços);
y1 – Porcentagem de Renovabilidade (%R): porcentagem da emergia total (Equação 4)
utilizada em um processo, que depende de fontes renováveis. Somente processos com alta
porcentagem de renovabilidade são ecologicamente sustentáveis (não é condição única);
y2 – Razão do Rendimento Emergético (EYR): é a relação entre o rendimento de emergia de
um produto e a emergia gasta no processo para produzi-lo (Equação 5). Este indicador reflete a
eficiência do sistema no uso de insumos da natureza em relação aos insumos que são comprados
da economia local (ORTEGA, 2013).
3.3.4.1 Metodologia adotada para a Determinação da Eficiência energética Renovável
Relativa (EERR) mediante Planilha de dados (Excel) e software DEAOS
47
Uma matriz com os dados de entrada e saída foi elaborada para cada unidade tomadora de
decisão, conforme apresentada na Tabela 3.3.
Tabela 3.3: Dados (entrada e saída) para cálculo da eficiência energética renovável relativa
(*Memória de cálculo apresentada no Apêndice 1)
Biomassa UTD
Entrada Saída
x1
M (t/ano)
x2
Tr (sej/J)
y1
%R (%)
y2
EYR ( - )
Casca de arroz 1 6550 9,84x10+05 9,35 1,13
Fibra de coco 2 8618 7,04x10+04 34,04 1,52
Poda de árvore 3 10368 6,16x10+05 11,43 1,17
Resíduo de madeira de jequitibá-rosa 4 5333 2,38x10+05 7,17 1,08
Resíduo de madeira caixeta 5 5350 1,84x10+05 10,95 1,12
Eucaliptus grandis 6 5152 2,12x10+04 16,56 1,51
Capim-elefante 7 5446 1,34x10+04 19,99 1,32
Bagaço da cana-de-açúcar 8 5580 3,45x10+04 24,99 1,35
Legenda: M = Massa de biomassa; Tr = Transformidade; %R = Renovabilidade; EYR = Razão do Rendimento Emergético
A determinação do EERR foi feito inicialmente com uma planilha de dados (Microsoft
Excel 2007), onde foram inseridas as entradas e saídas para cada biomassa (UTD) de acordo com
a Tabela 3.3.
Comparativamente, foi realizada a programação linear para o processamento de cada
unidade relativa ao conjunto de unidades avaliadas e cálculo do EERR (Eficiência energética
Renovável Relativa) das biomassas utilizando o software Data Envelopment Analysis On Line
(DEAOS, 2013).
Aplicação do DEA em Planilha Excel
No modelo em estudo, desejou-se minimizar as entradas de modo que a eficiência
energética renovável relativa fosse a maior possível, sendo esta variável entre 0 e 1. Para facilitar
o entendimento dos cálculos foi escolhida uma biomassa como exemplo (casca de arroz) e assim
é apresentada a memória de cálculo para obtenção desta eficiência.
48
O modelo CCR tem como fundamento principal para um sistema com duas entradas e
duas saídas, a equação 6:
max 𝜃 = 𝑢1𝑦1 + 𝑢2𝑦2
𝑣1 𝑥1 + 𝑣2 𝑥2 (6)
sendo θ a eficiência energética renovável relativa (EERR) de cada unidade tomadora de decisão
(UTD) e, u e v são os pesos ótimos para cada UTD em estudo, que devem ser maiores ou iguais a
zero. As variáveis x e y correspondem aos parâmetros escolhidos variando de 1 a 2, entradas e
saídas.
A variáveis escolhidas para este estudo foram: massa de biomassa requerida (x1),
transformidade (x2), renovabilidade (y1) e razão do rendimento emergético (y2).
A equação 6 deve seguir algumas restrições para que o modelo possa ser aplicado de
maneira correta, sendo estas de duas formas. A primeira delas (equação 7) é garantir que o
denominador seja igual a 1.
𝑣1 𝑥1 + 𝑣2 𝑥2 = 1 (7)
A segunda (equação 8) é garantir que o valor dessa razão seja menor ou igual a 1.
𝑢1𝑦1 + 𝑢2𝑦2
𝑣1 𝑥1 + 𝑣2 𝑥2 ≤ 1 (8)
Como foi definido pela equação 7 que o denominador deve apresentar valor unitário, a
eficiência da biomassa é calculada pela equação 9:
max 𝜃 = 𝑢1𝑦1 + 𝑢2𝑦2 ( 9)
Pela condição retratada na equação 8, o valor do denominador deve ser maior ou igual ao
valor encontrado no numerador, conforme apresentado na equação 10:
𝑢1𝑦1 + 𝑢2𝑦2 ≤ 𝑣1 𝑥1 + 𝑣2 𝑥2 (10)
Para o caso da casca de arroz, foi possível montar o seguinte sistema de equações e
inequações (11 a 24), sendo que as equações 20 a 24 são as cinco condições previamente
estabelecidas. Os dados para compor este conjunto de equações estão apresentados na Tabela 3.3.
𝑀𝑎𝑥 𝜃 = 9,35 𝑢1 + 1,13 𝑢2 (11)
6550 𝑣1 + 9,84 × 105 𝑣2 ≥ 9,35 𝑢1 + 1,13 𝑢2 (12)
49
8618 𝑣1 + 7,04 × 104 𝑣2 ≥ 34,04 𝑢1 + 1,52 𝑢2 (13)
10368 𝑣1 + 6,16 × 105 𝑣2 ≥ 11,43 𝑢1 + 1,17 𝑢2 (14)
5333 𝑣1 + 2,38 × 105 𝑣2 ≥ 7,17 𝑢1 + 1,08 𝑢2 (15)
5350 𝑣1 + 1,84 × 105 𝑣2 ≥ 10,95 𝑢1 + 1,12 𝑢2 (16)
5152 𝑣1 + 2,12 × 104 𝑣2 ≥ 16,56 𝑢1 + 1,51 𝑢2 (17)
5446 𝑣1 + 1,34 × 104 𝑣2 ≥ 19,99 𝑢1 + 1,32 𝑢2 (18)
5580 𝑣1 + 3,45 × 104 𝑣2 ≥ 24,99 𝑢1 + 1,35 𝑢2 (19)
1ª. Condição: 6550 𝑣1 + 9,84 × 105 𝑣2 = 1 (20)
2ª. Condição: 𝑣1 ≥ 0 (21)
3ª. Condição: 𝑣2 ≥ 0 (22)
4ª. Condição: 𝑢1 ≥ 0 (23)
5ª. Condição: 𝑢2 ≥ 0 (24)
Para resolver esse sistema foi utilizado a ferramenta Solver do Excel versão 2007. Como critério
de resultado foi colocado que a célula que continha a fórmula de eficiência (equação 6) deveria
ser maximizada, sendo as células variáveis aquelas correspondentes aos pesos ótimos. Além
disso, foi preciso habilitar o solver para assumir um modelo linear para que os resultados fossem
condizentes com o modelo CCR.
Os resultados dos pesos ótimos de entrada (u1 e u2) e saída (v1 e v2), bem como a eficiência
relativa máxima para essa biomassa foram:
𝑣1 = 0,000153
𝑣2 = 0
𝑢1 = 1,04 × 10−14
𝑢2 = 0,5209
max 𝜃 = 0,5886
Para as outras biomassas, a estrutura do sistema foi semelhante, alterando-se apenas a
fórmula de eficiência e os valores dos coeficientes acompanhando os pesos.
Aplicação do DEA no Software DEAOS
50
O software DEAOS.com é um aplicativo que permite avaliar eficiência relativa com
modelos de análise Envoltória de Dados (DEA) sem uma profunda compreensão dos seus
cálculos matemáticos, sendo este de acesso livre (demo). Neste estudo foram utilizados os dados
de entrada e saída apresentados na Tabela 3.3 com prioridade as entradas, e retorno constante de
escala (CRS), com objetivo de comparar com os resultados obtidos através da modelagem
realizada em planilha excel como apresentada anteriormente. A Figura 3.5 mostra a interface de
acesso na internet do software DEAOS.
Figura 3.5: Software DEAOS com dados avaliados
51
Capítulo 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Determinação da quantidade de massa das biomassas avaliadas
Na análise do potencial energético foi considerado um processo de conversão com
tecnologia disponível no mercado, sendo determinadas as quantidades de biomassas necessárias
para a geração de 1MW de potência e 7776 MWh de energia elétrica no ano. Para estes cálculos
foram necessários os valores do Poder Calorífico Inferior (PCI) de cada biomassa avaliada, os
quais estão apresentados na Tabela 3.1.
O conteúdo emergético está diretamente relacionado com o PCI e a produtividade da
biomassa. Os valores de PCI das biomassas variaram de 9,00 MJ/kg (poda de árvores) a 18,11
MJ/kg (eucalipto), com um valor médio de 15,82 MJ/kg. Estes valores são considerados baixos
quando comparados com os valores dos PCI dos combustíveis fósseis como o do óleo diesel
(42,29 MJ/kg), porém não inviabiliza a sua utilização com a devida compensação em termos de
quantidades para a geração da mesma energia.
A massa, primeiro parâmetro avaliado, foi determinante para identificação do
aproveitamento do uso da terra, mostrando que as biomassas necessitam de 5152 t/ano.ha
(eucalipto) a 10368 t/ano.ha (poda de árvore), respectivamente, tendo uma média de 6184
t/ano.ha. Esta quantidade média é maior e próximo ao valor obtido pelo bagaço da cana-de-
açúcar, que é de 5580 t/ano.ha, conforme mostrado na Tabela 3.3 e memória de cálculo
apresentada no Apêndice 2.
4.2. Determinação dos indicadores emergéticos
A partir do diagrama do fluxo emergético geral do plantio da biomassa, apresentado na
Figura 2.6, foi derivado os fluxos emergéticos para cada tipo de biomassa avaliada.
A Figura 3.3 mostra o diagrama da emergia para a geração de eletricidade a partir de
atividades agroindustriais e urbanas, apresentando as fontes de energia e recursos naturais
necessários (sol, chuva, solo) assim como os materiais e serviços utilizados da economia
(combustíveis fósseis, bens econômicos e serviços).
52
Os recursos e energia transformam estes insumos, através da coleta, transporte e
processamento industrial (caldeiras e geradores), em energia elétrica que poderá ser
disponibilizada para a sociedade.
Além da geração direta, os resíduos destas atividades agroindustriais e urbanas, também
podem receber materiais (combustíveis e bens econômicos) e coproduzir mais energia elétrica,
por meio da coleta, transporte e transformação industrial dos resíduos destas atividades, conforme
demonstrado na Figura 3.3.
Em seguida, foram avaliadas as transformidades que são usadas para conversão do fluxo
de energia e recursos em fluxo de emergia, mostrando a relação total de emergia utilizada e a
energia do produto que foi gerada e tendo como unidade sej/J ou sej/kg. Os fluxos emergéticos
foram analisados com cada biomassa individualmente, aplicando-se as equações 3, 4 e 5 para os
cálculos da transformidade, renovabilidade e rendimento emergético, conforme são mostrados na
Figura 4.1.
Figura 4.1: Diagrama emergético geral para uso de biomassa na geração de bioenergia
Solatividades
agrícolas
Biomassa
Chuva
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Processos
geológicos
SolosBens
água
Escoamento
superficial
de água
transporte,
processa-
mento
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Diagrama de Emergia - Sistema de produção de energia da biomassa
$
$
Resíduos
53
O diagrama do fluxo emergético de cada biomassa é derivado do fluxo mostrado na
Figura 4.2 como no caso do diagrama emergético para o ciclo de produção do eucalipto.
Este diagrama representa todas as etapas do ciclo de produção da biomassa para a
produção de energia, contemplando o ciclo emergético, ou seja, desde o uso dos recursos
naturais, entre eles o sol e a chuva, passando pelos processos geológicos e uso da água e do solo,
processos e atividades agrícolas, transporte e processamento industrial da biomassa, até a geração
de bioenergia e fornecimento para a sociedade.
O diagrama mostrado na Figura 4.2 também apresenta, em cada etapa, a origem de
resíduos, tanto na etapa do plantio da cultura quanto no processamento industrial.
Figura 4.2: Diagrama emergético do ciclo de produção do Eucalipto
Sol Plantio de
Eucalipto
Chuva
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Processos
geológicos
SolosBens
água
Escoamento
superficial
de água
transporte,
processa-
mento
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
$
$
Resíduos
54
Os fluxos emergéticos do ciclo de produção do Eucalipto são mostrados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Fluxo e índices emergéticos do ciclo de produção do eucalipto
I Total da Natureza 2,54x1015
sej/ha.ano
R Renováveis da Natureza 2,13x1015
sej/ha.ano
N Não-Renováveis da Natureza 4,01x1014
sej/ha.ano
F Totais da Economia 5,87x1015
sej/ha.ano
M Materiais 5,29x1014
sej/ha.ano
S Serviços 5,34x1015
sej/ha.ano
Y TOTAIS (I+F) 8,41x1015
sej/ha.ano
Com os dados do fluxo emergético mostrado na Figura 4.2, foram calculados os
indicadores emergéticos e estão apresentados na Tabela 4.2: Indicadores emergéticos de
processos – fluxos emergéticos (seJ/ha.ano).
Os fluxos e indicadores emergéticos para cada biomassa de forma detalhada são
mostrados no Apêndice 2.
Na Tabela 4.2 são resumidos os fluxos emergéticos das fontes alternativas de biomassa
analisadas.
Nesta análise observa-se que os valores de transformidades (Tr) foram menores para o
plantio energético do capim-elefante (Tr = 1,34x104 sej/J) e pela floresta energética do eucalipto
(Tr = 2,12x104 sej/J) enquanto que o maior valor foi o da poda de árvores (Tr = 6,16x10
5 sej/J).
Dentre as alternativas de biomassas analisadas a fibra de coco destaca-se das outras fontes de
biomassa de origem residual (Tr = 7,04x104 sej/J).
Estes valores de transformidade para a geração de energia a partir de biomassas podem ser
comparados com outros sistemas de produção de eletricidade como os resultados obtidos por
Morelli (2010), para a hidrelétrica de Belo Monte (1,3x104 sej/J), por Wittmann e Bonilla (2009)
em Tucuruí (1,65x104 sej/J) e o resultado obtido por Zhang (2010) para a geração de eletricidade
(1,59x105 sej/J), mostrando que as biomassas: capim-elefante (1,34x10
4 sej/J), eucalipto
(2,12x104 sej/J) e fibra de coco (7,04x10
4 sej/J) apresentaram resultados superiores ou próximos
55
aos valores obtidos pelo bagaço de cana-de-açúcar (3,45x104 sej/J), conforme dados mostrados
na Tabela 4.2.
Tabela 4.2: Indicadores emergéticos de processos – fluxos emergéticos (seJ/ha.ano)
Símbolo
Definição
Fórmula Casca de
arroz
Fibra de
coco
Poda d-
árvores
Jequitibá-
rosa Caixeta Eucalipto
Capim-
elefante
Bagaço de
cana-de-
açúcar
Y Emergia utilizada Y = R+N+F 1,74x1016 4,76x1015 1,42x1016 2,26x1016 1,48x1016 9,74x1015 9,77x1015 6,76x1015
E Valor calórico E = PCI x P 1,76x1010 6,77x1010 2,32x1009 9,49x1010 8,03x1010 4,60x1011 6,85x1011 1,96x1011
Tr Transformidade Y/E 9,84x1005 7,04x1004 6,16x1005 2,38x1005 1,84x1005 2,12x1004 1,34x1004 3,45x1004
Ren Renovabilidade (R)/Y 9,35 34,04 11,43 7,17 10,95 16,56 19,99 24,99
EYR Saldo emergético Y/(M e S) 1,13 1,52 1,17 1,08 1,12 1,51 1,32 1,35
Legenda: Y = Emergia utilizada no processo; E = Energia do produto obtido; Tr = Transformidade; Ren = Renovabilidade;
EYR = Razão do Rendimento Emergético; PCI = Poder Calorífico Inferior; P = Produtividade da biomassa
Quando comparadas as transformidades com as de outros combustíveis fósseis como:
carvão (4,00x1004
sej/J), gás natural (4,80x1004
sej/J) e diesel (5,50x1004
sej/J), as matérias-
primas capim-elefante (1,34x1004
sej/J) e eucalipto (2,12x1004
sej/J) apresentaram melhores
resultados, indicando um menor custo emergético e uma maior sustentabilidade.
Com relação aos resultados obtidos pelas biomassas avaliadas pelo EYR, os valores foram
maiores de 1 e abaixo de 2, demonstrando um rendimento favorável com baixo impacto
ambiental. Os valores de EYR obtidos variaram de 1,08 a 1,52 com uma média de 1,28. Este
valor médio está próximo ao obtido por Zhang e Long (2010), para a produção de eletricidade a
partir de resíduos de aterros sanitários na China que foi de 1,36.
Isto pode ser interpretado como favorável para o uso de recursos locais, como no caso dos
resíduos e plantios energéticos avaliados, ou seja, mostram que os processos de geração de
energia com as biomassas avaliadas, oferecem uma contribuição à economia local, produzindo
mais emergia do que a necessária para a sua produção.
Os resultados obtidos em relação à porcentagem de renovabilidade (%R) nos processos de
produção de energia a partir das biomassas avaliadas variaram de 7,17% (resíduo de madeira
jequitibá-rosa) a 34,04% (fibra de coco), com uma média de 16,75%, apresentando um indicador
importante para avaliação do uso de recursos renováveis, tendo em vista que na utilização de
56
recursos fósseis, a renovabilidade é zero. Os valores obtidos para o resíduo urbano fibra de coco
(34,04%) ficou próximos aos de Zhang e Long (2010), para a cana-de-açúcar (30,9%).
4.3. Resultados da eficiência relativa através da Análise Envoltória de Dados - DEA
Considerando-se que a eficiência energética renovável relativa (EERR) é um indicador em
que os recursos (xk) são usados para gerar os produtos (yk), a fronteira da eficiência pode ser
definida como as mínimas quantidades de entradas (xk) utilizadas para obtenção da máxima
quantidade de saídas (yk), sendo que k varia de 1 a 8.
Após a análise emergética estes indicadores foram avaliados a partir do cálculo da EERR,
usando-se a relação insumos e produtos da Análise Envoltória de Dados (DEA), assim, os dados
de entradas (massa e transformidade) e de saídas (renovabilidade e rendimento emergético), os
quais são apresentados na Tabela 3.3.
Utilizando-se a metodologia proposta foram calculados os valores ótimos para a eficiência
energética renovável relativa de cada uma das oito (8) biomassas as outras biomassas avaliadas
conforme aplicação da Equação 6, tendo os seguintes resultados obtidos na Tabela 4.3.
Tabela 4.3: Resultados dos pesos e da eficiência para cada biomassa
Biomassa v1 v2 u1 u2 Max θ
Casca de Arroz 1,53 x 10-4 0 1,04 x 10-14 5,21 x 10-1 5,89 x 10-1
Fibra de Coco 1,16 x 10-4 0 2,59 x 10-2 0 8,82 x 10-1
Poda de árvore 0,96 x 10-4 0 0 3,29 x 10-1 3,85 x 10-1
Jequitibá 1,87 x 10-4 0 0 6,39 x 10-1 6,91 x 10-1
Caixeta 1,87 x 10-4 0 0 6,38 x 10-1 7,14 x 10-1
Eucalipto 1,72 x 10-4 5,28 x 10-6 2,45 x 10-2 3,93 x 10-1 1
Capim-elefante 1,57 x 10-4 0,16 x 10-6 5,00 x 10-2 4,64 x 10-13 1
Bagaço de cana 1,25 x 10-4
8,69 x 10-6
4,00 x 10-2
0 1
57
Na Tabela 4.4 mostram-se as biomassas organizadas em ordem decrescente de eficiência
energética renovável relativa.
Tabela 4.4: Ranking das biomassas de acordo com a eficiência
Ranking
Biomassa Colocação Eficiência
Bagaço de cana 1 1
Capim-elefante 1 1
Eucalipto 1 1
Fibra de coco 2 0,8820
Resíduo de caixeta 3 0,7143
Resíduo de jequitibá rosa 4 0,6910
Casca de arroz 5 0,5886
Poda de árvores 6 0,3850
Aplicando o software DEAOS obtiveram-se os resultados apresentados na Tabela 4.5 e
estão de acordo com os dados obtidos em planilha excel.
Tabela 4.5: Resultados obtidos pelo software DEAOS
As Tabelas 4.4 e 4.5 mostram o ranking de eficiência energética renovável relativa entre
as biomassas avaliadas, mostrando que as biomassas 6 (eucalipto) e 7 (capim-elefante)
58
apresentaram à eficiência máxima relativa (1) equivalente a biomassa 8 (bagaço da cana-de-
açúcar).
Quanto maior o valor da EERR, melhor a eficiência energética renovável devido ao uso
de uma menor quantidade de recursos naturais (biomassas), verificado pela menor quantidade de
massa e menor valor da transformidade. Por outro lado, quanto maior a porcentagem de
renovabilidade e razão do rendimento emergético, maior a quantidade de recursos renováveis
utilizados para a geração da energia, ou seja, menos esforço da natureza para a produção da
matéria-prima utilizada.
Dentre as três biomassas com eficiência máxima, observa-se que a menor quantidade de
biomassa necessária para a geração de 7776 MWh foi do Eucaliptus Grandis com 5152 t/ano
(Apêndice 1).
Entre as biomassas escolhidas a poda de árvores, apesar de ser de alto conteúdo ligno-
celulósico, teve a menor eficiência energética renovável relativa. Associado a isto, observa-se que
o fator predominante nesta análise foi a quantidade de massa necessária (10368 t/ano) para gerar
os 7776 MWh.
Na Tabela 4.6 são mostrados os resultados de EERR obtidos através com o uso do
software Microsoft Excel, sendo exemplificado através das equações 3 a 24.
Tabela 4.6a: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (casca de
arroz)
59
Tabela 4.6b: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (fibra de
coco)
Tabela 4.6c: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (poda de
árvores)
60
Tabela 4.6d: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (jequitibá
rosa)
Tabela 4.6e: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (caixeta)
61
Tabela 4.6f: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (eucalipto)
Tabela 4.6g: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (capim-
elefante)
62
Tabela 4.6h: Modelagem para análise da energia renovável relativa através do DEA (bagaço de
cana-de-açúcar)
O resíduo agroindustrial do bagaço da cana-de-açúcar, o capim-elefante e o eucalipto
apresentaram eficiência máxima (1,00) seguidos do resíduo urbano da fibra de coco (0,89), sendo
estas consideradas as biomassas mais eficientes e as que mais contribum para a geração de
energia renovável em termos de uso de recursos naturais.
Os cálculos efetuados pelo software Microsoft Excel demonstraram a mesma sequência de
classificação das eficiências relativas entre as biomassas avaliadas em relação aos resultados
obtidos com o uso do software DEAOS no que se refere às biomassas mais eficientes.
Nestes valores destacam-se o plantio energético de capim-elefante e a floresta energética
de eucalipto, com eficiências equivalentes ao do bagaço de cana-de-açúcar e, em relação aos
resíduos, o resíduo urbano da fibra de coco é que apresentou o melhor resultado.
A Tabela 4.7 mostra os resultados da eficiência relativa (EERR) obtidos pela análise
envoltória de dados usando o software DEAOS, além das unidades de referência e suas
respectivas frequências. Entende-se por referência as UTDs eficientes que servem de
benchmarking para as não eficientes pois estão na fronteira de eficiência. Frequência é a
quantidade que uma unidade eficiente é usada para comparação com a unidade não eficiente.
63
Observa-se neste conjunto de dados que a Unidade tomadora de decisão (UTD) eucalipto
tem a maior frequência como referência (5), seguida da fibra de coco (1), capim-elefante (1) e
bagaço da cana-de-açúcar (1).
Tabela 4.7: Frequência da eficiência energética renovável relativa
Biomassas (UTD) Eficiência
(EERR)
Unidades de
referência
(UTD)
Frequência*
Bagaço da cana-de-açúcar 1,00 8 2
Capim-elefante 1,00 7 1
Eucaliptus Grandis 1,00 6 6
Fibra de coco 0,89 6,8 0
Resíduo de madeira caixeta 0,71 6 0
Resíduo de madeira Jequitibá-rosa 0,69 6 0
Casca de arroz 0,59 6 0
Poda de árvore 0,39 6 6
*Calculados a partir do software DEAOS (2013)
Esta análise mostrou que outras fontes de biomassas apresentaram desempenhos
compatíveis com os obtidos pelo bagaço de cana-de-açúcar em termos de renovabilidade e tem
potencial para substituí-lo no período de entressafra ou mesmo de forma independente, com mais
sustentabilidade.
4.4. Estudo de Caso 1: Produção integrada de etanol e bioenergia
Com o uso de uma biomassa alternativa ao bagaço de cana-de-açúcar no período de
entressafra. Os melhores resultados obtidos pela avaliação foi o eucalipto, onde seriam
necessárias 5.152 t/a e com capim-elefante 5.446 t/a para a geração de um adicional de 7.776
MWh de energia elétrica. Esta energia seria suficiente para suprir a necessidade de uma
comunidade de 3055 habitantes, tendo em vista o consumo per capita de 2545 kWh/ano em 2012
(EPE, 2013).
Um esquema da planta industrial integrada proposta está apresentado na Figura 4.3, a qual
mostra os fluxos para o período da safra da cana-de-açúcar, que utiliza o bagaço da própria cana-
64
de-açúcar processada e o fluxo para o período de entressafra que poderá utilizar biomassa
alternativa, podendo utilizar, além de resíduos agroindustriais ou urbanos disponíveis, culturas
complementares.
Figura 4.3: Esquema de usina proposta de produção integrada de etanol e energia elétrica
Para operação da planta no período de entressafra, aproveita-se toda a infraestrutura
instalada de utilidades e serviços e, com adaptações para o manuseio e transporte da biomassa
alternativa, pode-se gerar excedente para fornecimento a rede de distribuição de energia elétrica.
4.5. Estudo de Caso 2: Produção independente de bioenergia
Para avaliação da geração de energia elétrica de forma independente foi realizada em
substituição a um combustível fóssil (óleo diesel) por biomassa alternativa.
Após levantamento das disponibilidades locais de resíduos urbanos, foi identificado, no
município de Campinas, Estado de São Paulo, que o CEASA Campinas possuía uma quantidade
expressiva de armazenamento de coco para distribuição na região: 10.600,700 t/a de coco
armazenados no período de um ano. Além disso, a fibra de coco apresenta um poder calorífico
inferior de 16,39 MJ/kcal e um valor de transformidade de Tr = 7,04x10+04
, demonstrando
características adequadas quando aos aspectos energéticos e emergéticos.
65
Se esta quantidade de coco fosse armazenada e distribuída na região, após o consumo da
água, retornando a sua origem, ou seja, para o próprio CEASA de Campinas, viabilizaria a
quantidade anual necessária para a geração de 28.800 kWh/ano.
Figura 4.4: Esquema de usina termoelétrica proposta movida a biomassa
Com a substituição de uma usina geradora movida à óleo diesel por uma usina
termoelétrica à biomassa, há mitigação de 0,622 t de CO2/ano, pois a emissão da bioeletricidade é
de 0,268 t de CO2/ano e o fator de emissão do óleo diesel é de 0,89 t de CO2/ano. Neste caso, na
geração de 7.776 MWh/ano, haverá a mitigação de 4.837 t de CO2/ano ou de 96.733 toneladas de
CO2 durante a expectativa de 20 anos de operação da planta industrial (BATISTA et al., 2009)
(SOARES et al., 2009).
Para este caso analisado, a Figura 4.4 mostra a planta termoelétrica proposta, a qual é
composta de equipamento para preparo da biomassa, caldeira para geração de vapor com
separação das cinzas, limpeza dos gases e particulados através de ciclone que separa a lama que é
conduzida para a lagoa de tratamento e o ar limpo que é liberado, em seguida o vapor
superaquecido é transferido para a turbina a vapor acoplada a gerador, condensador com
separação de água resfriada para ser conduzida à lagoa de tratamento de água e reuso, e a água
quente a ser desaerada e bombeada para retornar para a caldeira.
66
Capítulo 5 - CONCLUSÕES
Como descrito no capítulo 2, a biorrefinaria oferece oportunidades para a produção de
novos produtos, combustíveis e energia a partir de fontes renováveis e os processos de conversão
em desenvolvimento: químicos, biotecnológicos e termoquímicos, avançando no sentido de
proporcionar uma cadeia produtiva menos dependente das fontes não renováveis e fósseis
Dos processos de conversão de biomassa, a termoquímica, em especial, a combustão
através de ciclos de vapor, foi o processo escolhido para este estudo, pois é uma tecnologia
disponível em escala comercial, comparadas com as outras rotas de conversão (química e
biotecnológica), além de ter apresentado rendimentos compatíveis de geração de energia (kWh/t
de biomassa processada).
Ainda neste capítulo, foram apresentadas fontes de biomassas alternativas para a geração
de energia destacando-se os resíduos de processos agroindustriais, resíduos urbanos, plantios e
floresta energética como potenciais para a descentralização e dependência de fontes fósseis de
energia. Em seguida, foram abordados aspectos importantes para as análises energéticas
destacando-se o uso da emergia e seus indicadores relacionados à renovabilidade e
sustentabilidade de processos de produção.
No capítulo 3 foram apresentados os materiais, métodos e os estudos de casos estudados:
a substituição do bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima para geração de energia em
usinas com produção integrada de etanol e energia; e a substituição do óleo diesel como
combustível para geração de energia em pequenas plantas geradoras autônomas. Nos métodos
utilizados foram considerados os aspectos relacionados ao 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, expressos em indicadores emergéticos,
buscando-se avaliar indicadores que valorizassem os aspectos relativos a sustentabilidade do uso
de recursos naturais e renováveis, para tanto recorreu-se ao método da emergia.
Finalizando a metodologia, recorreu-se à análise envoltória de dados para calcular a
eficiência energética renovável relativa entre as biomassas avaliadas.
No capítulo 4 foram apresentados e discutidos os resultados obtidos pelos cálculos da
envoltória de dados (DEA), que identificou as biomassas eficientes, onde pode-se concluir que,
67
para o caso 1 (usina com produção integrada de etanol e energia elétrica), a substituição do
bagaço da cana-de-açúcar, poderá ser feita com maior desempenho energético e emergético para
as biomassas na seguinte ordem: capim-elefante, eucalipto e fibra de coco as quais apresentaram
a eficiência s renovável relativa similar ou próxima a do bagaço da cana-de-açúcar.
No caso 2 (Usina autônoma de geração de bioenergia), tendo em vista a escassez de áreas
rurais para plantios energéticos em regiões metropolitanas, no caso avaliado no município de
Campinas (Estado de São Paulo), a fibra de coco, sendo um resíduo urbano, apresentou a melhor
alternativa para a substituição, que, devido aos seus indicadores emergéticos e energéticos, a sua
localização e sua quantidade disponível, destacam-se frente às alternativas analisadas.
Os resultados obtidos mostraram que há potencialidades de matérias-primas alternativas
de biomassas mais sustentáveis, que podem contribuir com a redução dos impactos ambientais
provocados pelo uso de recursos fósseis para geração de energia.
O propósito deste estudo corrobora com a busca de alternativas para o aumento da
proporção de energia renovável proveniente de biomassa, tornando a matriz energética brasileira
ainda mais limpa e renovável. Com isto, ocorre a mitigação das emissões de GHG pela
substituição do uso de combustível fóssil nas usinas integradas e termoelétricas convencionais
facilitando o uso de fontes alternativas locais com a descentralização da geração de eletricidade a
partir das biomassas disponíveis, proporcionando uma maior sustentabilidade nos sistemas
produtivos e urbanos pelo uso de energia de fontes renováveis.
Sugestões para trabalhos futuros
Estes resultados não esgotam a necessidade de continuidade de estudos que busquem as
vantagens comparativas de alternativas para a geração de energia renovável e incluem a
necessidade da identificação do teor de possíveis resíduos e subprodutos como cinzas e outros
produtos oriundos da queima das biomassas com as devidas análises de possíveis problemas de
corrosão e desgaste nos equipamentos do processo de produção de energia.
Também se torna presente à necessidade do desenvolvimento de metodologias para
medição do teor de carbono renovável, possibilitando a identificação de combustíveis produzidos
com recursos e fontes renováveis, assim como em metodologias para a medição de emissões de
CO2 considerando-se, além das propriedades químicas e físicas para cada tipo de biomassa,
68
questões relacionadas ao uso do solo, clima, temperatura e região. Isto poderá ajudar na
elaboração de políticas de incentivos para combustíveis que possam reduzir o aquecimento
global.
Outra frente para trabalhos futuros pode estar relacionada com a análise do processo de
recepção e tratamento das biomassas para melhor aproveitamento energético nas caldeiras,
considerando-se aspectos relativos à umidade, conservação, armazenamento e transporte das
biomassas, assim como o aproveitamento de outros resíduos orgânicos que possam ser
processados pela biodigestão de resíduos sólidos.
69
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84
APÊNDICES
Apêndice 1: Cálculo da quantidade de massa de biomassa para geração de energia
Apêndice 2: Diagramas e cálculos para os fluxos e indicadores emergéticos das biomassas
A. Diagramas e tabelas do fluxo emergético da casca de arroz
B. Diagramas e tabelas do fluxo emergético da fibra de coco
C. Diagramas e tabelas do fluxo emergético da poda de árvores
D. Diagramas e tabelas do fluxo emergético do resíduo do jequitibá-rosa
E. Diagramas e tabelas do fluxo emergético do resíduo da caixeta
F. Diagramas e tabelas do fluxo emergético do eucalipto
G. Diagramas e tabelas do fluxo emergético do capim-elefante
H. Diagramas e tabelas do fluxo emergético do bagaço da cana-de-açúcar
85
APÊNDICE 1: CÁLCULO DA QUANTIDADE DE MASSA DE BIOMASSA
PARA GERAÇÃO DE ENERGIA
Base de cálculo: 1 MW de potência; 1 ano de operação
A partir da Equação 3: P = M x PCI x / H , para o cálculo da massa de biomassa requerida tem-se:
M (t) = Eg (MWh) x fator de conversão kcal/h para kWh / PCI (kcal/kg) x ɳ
onde:
M = massa de biomassa requerida (t)
Eg = energia gerada (MWh) = P (MW) x H (h) = 7776
P = potência gerada (MW) = 1
H = horas de operação da planta industrial (ano) = 7776
fator de conversão kcal/kg para kWh/kg = 860
PCI = biomassa (kcal/kg )
ɳ = rendimento do processo de conversão = 0,30
Substituindo-se em cada biomassa avaliada temos:
UTD 1 (casca de arroz)
Massa de casca de arroz (t/ano) = (7776 x 860 ) / 3403 x 0,30 = 6550 t/ano
UTD 2 (fibra de coco)
Massa de fibra de coco (t/ano) = (7776 x 860 ) / 3914 x 0,30 = 5695 t/ano
UTD 3 (poda de árvores)
Massa de poda de árvores (t/ano) = (7776 x 860 ) / 2150 x 0,30 = 10368 t/ano
UTD 4 (resíduo de madeira jequitibá rosa)
Massa e resíduo de madeira jequitibá rosa (t/ano) = (7776 x 860 ) / 4180 x 0,30 = 5333 t/ano
UTD 5 (resíduo de madeira caixeta)
Massa de resíduo de madeira caixeta (t/ano) = (7776 x 860 ) / 4168 x 0,30 = 5348 t/ano
UTD 6 (eucalipto)
Massa de eucalipto (t/ano) = (7776 x 860 ) / 4326 x 0,30 = 5153 t/ano
UTD 7 (capim-elefante)
Massa de capim-elefante (t/ano) = (7776 x 860 ) / 4094 x 0,30 = 5445 t/ano
UTD 8 (bagaço de cana-de-açúcar)
Massa de bagaço de cana-de-açúcar (t/ano) = (7776 x 860 ) / 3995 x 0,30 = 5580 t/ano
86
APÊNDICE 2: DIAGRAMAS E CÁLCULOS PARA OS FLUXOS E
INDICADORES EMERGÉTICOS DAS BIOMASSAS
a. Diagrama emergético para o ciclo de produção do resíduo de casca de arroz.
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Bens
coleta,
transporte
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Sistema de produção de energia a partir de
resíduos de atividades agrícolas
$
$*Resíduo
Casca-de-arroz
Biomassa: casca de arroz
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6x10
+6 J/kWh) x (1,0x10
+4 m
2 / ha)x(1 – albedo) =
87
= 4,33x10+13
J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
2 Chuva
Latitude: 29.35.12 sul; Longitude: 51.22.32 oeste
Precipitação anual = 1482 mm/m2
= 1,482 m3/m
2 (WOLLMANN e SARTORI, 2010)
Evapotranspiração = 1035 mm/m2 = 1,035 m
3/m
2 (0,72) (EMBRAPA, 2013)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0x10+3
J/kg (AGOSTINHO, 2009)
Densidade da água = 1,0x10+3
kg/m3
Energia (J)= (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,482 m3/m
2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0x10
+4 m
2/ha)(1,0x10
+3- kg/m
3)
= 5, 33x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = arroz = 25 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (25t/ha.ano) x (1,0x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186
J/kcal)
= 2,26x1010
J/ha.ano
Transformidade = 1,24x105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
88
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2x 03 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80x106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95x 02 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44x 01 U$/t
= 1,95x102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7x1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85x101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81x10-1
U$/tbiomassa
= 3,85x101 U$/ha.ano
Transformidade = 4,82x1012
sej/J (COMAR, 1998)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Biomassa processada = 7952 t/a = 22,09 t/dia
Produtividade da biomassa = 0,93 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade
x (biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 4,97 x 109 J/ha
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
89
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 7952 t/a = 22,09 t/dia
Produtividade da biomassa = 0,93 t/ha
Energia (J) == (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 2,49 x 109J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 4,82x1012
sej/J (COMAR, 1998)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano
(MOREIRA et al., 2005)
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
11 Mudas
Consumo de sementes = 125 kg/ha (EMBRAPA, 2005)
Reforma da lavoura = 20% = 0,20 (SÃO PAULO, 2011)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg semente)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
90
Consumo (kg) = (consumo) x (% da reforma) x (Energia da matéria orgânica)
= (125) x (0,20) x 5400 x 4186 = 5,65 x 108 J/ha
Transformidade = 5,0 x 105 sej/J (ORTEGA, 2002)
12 Inseticida (L)
Consumo = 1,16 L/ha.ano no plantio (AGOSTINHO, 2009)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = [(consumo) – (% reforma x consumo)] x (densidade do inseticida)
x (4186) J/kcal) = (1,16 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 3,85 x 103 J/ha.ano
Transformidade = 1,97 x 106 sej/J (ORTEGA, 1998)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 26,27 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Consumo (kg) = (consumo)
= (26,27 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (26,27) x (1 x 103) = 2,6 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 92,02 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 82,41 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Calcário (kg)
91
Consumo = 796,63 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
92
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (MOREIRA et al., 2005)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (MOREIRA et al., 2005)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,18 x 1012
sej / U$ (ORTEGA, 2002)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo
= 1,75x10+16
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção da biomassa (kg) = (kg/ha)
= 1238 kg/ha
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 3403
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
93
= 1,76 x 1010
J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (casca de arroz):
Porcentagem de Renovabilidade (R) = 100 x R/Y = 9,65%
Transformidade (Tr) = Y/E = 1,75x10+16
sej/ha.ano / 1,76x10+10
J / ha.ano
= 9,91x10+5
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,14
94
b. Diagrama emergético para o ciclo de produção do resíduo de casca de coco (fibra)
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Bens
coleta,
transporte
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Sistema de produção de energia a partir de
resíduos de atividades agrícolas
$
$*Resíduo
Casca-de-coco
Biomassa: fibra de coco
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x 10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1 –
albedo)
= 4,33 x10+13
J/ha.ano
95
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (ORTEGA, 2011)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 x10+3
J/k (AGOSTINHO, 2009)
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = árvores frutíferas = 0,9 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (0,9 t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 8,13 x 108 J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
96
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN, 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 8618 t/a = 23,94 t/dia
Produtividade da biomassa = 6,30 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade x
(biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (no. funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa processada (t/dia))
/ produtividade da biomassa (t/ha)
= (20) x ( 2500) x (4186) x (8618) / (6,30) = 2,86 x 1011
J
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 8618 t/a = 23,94 t/dia
Produtividade da biomassa = 6,30 t/ha
97
Energia (J) == (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 3,98 x 108 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012 sej/U$ (COHEN, 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO,2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
12 Inseticida (L)
Consumo = 1,16 L/ha.ano no plantio (AGOSTINHO, 2009)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186
J/kcal) = (4,00 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 9,61 x 102 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
98
Consumo = 26,27 kg/ha.ano (EMBRAPA, 2005)
Consumo (kg) = (consumo)
= (26,27 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (26,27) x (1 x 103) = 2,63 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 92,02 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 82,41 kg/kg (AGOSTINHO,2009)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Calcário (kg)
Consumo = 796,63 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
99
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186 J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)Consumo
(kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
24 Infra-estrutura (U$)
100
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN, 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 6,04 x10+15
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção da biomassa (kg) = (kg/ha)
= 4131 kg/ha
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 3914
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= 1,20 x 1010
J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (fibra de coco):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 34,04%
Transformidade (Tr) = Y/E = 7,04x10+04
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,52
101
c. Diagrama emergético para o ciclo de produção da poda de árvores.
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Bens
coleta,
transporte
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Sistema de produção de energia a partir de
resíduos de atividades agrícolas
$
$*Resíduo
Poda-de-árvores
Biomassa: poda de árvores
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1
– albedo)
= 4,33 x10+13
J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
102
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (ORTEGA, 2011)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 E+3 J/kg (AGOSTINHO,2009)
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = árvores frutíferas = 0,9 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (0,9 t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 8,13 x 108 J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
103
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN, 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 8618 t/a = 23,94 t/dia
Produtividade da biomassa = 6,30 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade x
(biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (no. funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa processada
(t/dia))/ produtividade da biomassa (t/ha)
= (20) x ( 2500) x (4186) x (8618) / (6,30) = 2,86 x 1011
J
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 8618 t/a = 23,94 t/dia
Produtividade da biomassa = 6,30 t/ha
104
Energia (J) == (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 3,98 x 108 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012 sej/U$ (COHEN, 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO,2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
12 Inseticida (L)
Consumo = 1,16 L/ha.ano no plantio (AGOSTINHO,2009)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186
J/kcal) = (4,00 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 9,61 x 102 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 26,27 kg/ha.ano (EMBRAPA, 2005)
105
Consumo (kg) = (consumo)
= (26,27 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (26,27) x (1 x 103) = 2,63 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 92,02 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009) Transformidade
= 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 82,41 kg/kg
(AGOSTINHO,2009) Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Calcário (kg)
Consumo = 796,63 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
106
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (0,53 L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
107
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN, 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 1,20x10+16
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção da biomassa (kg) = (kg/ha)
= 258 kg/ha
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 2150
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= 2,32x109J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (poda de árvores):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 11,43%
Transformidade (Tr) = Y/E = 6,16x10+06
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,17
108
d. Diagrama emergético do ciclo de produção do resíduo da caixeta
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Bens
coleta,
transporte
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Sistema de produção de energia a partir de
resíduos de atividades agrícolas
$
$*Resíduo
Serragem
Caixeta
Biomassa: resíduo da madeira caixeta
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08; (NASA, 2013)
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
=(1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1
– albedo)
= 4,33 x10+13
J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
109
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (EMBRAPA, 2013)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 E+3 J/kg [53]
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = floresta natural = 0,1 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (0,1 t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 9,04 x 107 J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
110
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN et al., 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 5350 t/a = 14,8 t/dia
Produtividade da biomassa = 0,46 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade x
(biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (no. funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa processada (t/dia))
/ produtividade da biomassa (t/ha)
= (20) x ( 2500) x (4186) x (5350) / (0,46) = 2,43 x 1012
J
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
111
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 5350 t/a = 14,8 t/dia
Produtividade da biomassa = 0,46 t/ha
Energia (J) == (10 funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (14,8 biomassa
processada (t/dia)) / 0,46 produtividade da biomassa (t/ha)
= 3,37 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej/U$ (COHEN et al., 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
12 Inseticida (L)
Consumo = 1,16 L/ha.ano no plantio (AGOSTINHO, 2009)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186
J/kcal) = (4,00 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
112
= 9,61 x 102 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 26,27 kg/ha.ano (EMBRAPA, 2005)
Consumo (kg) = (consumo)
= (26,27 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (26,27) x (1 x 103) = 2,63 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 92,02 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 82,41 kg/kg (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008
16 Calcário (kg)
Consumo = 796,63 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
113
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (PEREIRA, 2008)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)Consumo
(kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
114
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN et al., 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 1,30425x10+16 sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção da biomassa (kg) = (kg/ha)
= 4604 kg/ha
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 4168
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= (4604) x (4168) x (4186)
= 8,03 x 1010
J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (resíduo da madeira caixeta):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 10,95%
Transformidade (Tr) = Y/E = 1,84x10+05
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,12
115
e. Diagrama emergético para o ciclo de produção do resíduo do jequitibá rosa
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Bens
coleta,
transporte
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduos
$
Serviços
BioEnergia
Sistema de produção de energia a partir de
resíduos de atividades agrícolas
$
$*Resíduo
Serragem
Jequitiba
Biomassa: resíduo da madeira jequitibá-rosa
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1 – albedo)
= 4,33 E+13 J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
2 Chuva
116
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (EMBRAPA, 2013)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 x10+3
J/kg [53]
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = floresta natural = 0,1 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil) (ORTEGA, 2013)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.) (ORTEGA, 2013)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (0,1 t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 9,04 x 107 J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26E+09 J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
5 Despesas Administrativas – agrícolas
117
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COELHO et al., 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 5333 t/a = 14,8 t/dia
Produtividade da biomassa = 0,56 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade x
(biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (no. funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa processada (t/dia))
/ produtividade da biomassa (t/ha)
= (20) x ( 2500) x (4186) x (5333) / (0,56) = 1,99 x 1012
J
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 5333 t/a = 23,94 t/dia
Produtividade da biomassa = 14,8 t/ha
118
Energia (J) == (10 funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (14,81
biomassa processada (t/dia)) / 0,56 produtividade da biomassa (t/ha)
= 2,77 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012 sej/U$ (COHEN et al., 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano (PEREIRA, 2008) Massa
específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
12 Inseticida (L)
Consumo = 1,16 L/ha.ano no plantio (AGOSTINHO, 2009)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186 J/kcal)
= (4,00 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 9,61 x 102 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
119
Consumo = 26,27 kg/ha.ano (EMBRAPA, 2005)
Consumo (kg) = (consumo)
= (26,27 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (26,27) x (1 x 103) = 2,63 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 92,02 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 82,41 kg/kg (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Calcário (kg)
Consumo = 796,63 kg/ha.ano (AGOSTINHO, 2009)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)]
120
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008) Consumo (kg)
= (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (PEREIRA, 2008)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
121
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN et al., 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 1,07x10+16
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção da biomassa (kg) = (kg/ha)
= 5425 kg/ha
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 4180
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= 9,49 x 1010
J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (resíduo da madeira jequitibá-rosa):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 7,17%
Transformidade (Tr) = Y/E = 2,38x10+05
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,08
122
f. Diagrama emergético para o ciclo de produção do eucalipto
Sol
Vento
Plantio do
Eucalipto
Chuva
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Processos
geológicos
SolosBens
água
Escoamento
superficial
de água
transporte,
processa-
mento
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduo
(bagaço)
$
Serviços$
$
Resíduos
(palha)
Energia
Elétrica
Biomassa: eucalipto
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1 – albedo)
= 4,33 x10+13
J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
123
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (EMBRAPA, 2013)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 x10+3
J/kg [53]
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = plantação florestal = 15 t/ha.ano
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil) (ORTEGA, 2013)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (15t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 1,36 x 1010
J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
124
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN et al., 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Biomassa processada = 5152 t/a = 14,31 t/dia
Produtividade da biomassa = 25,42 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade
x (biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 2,29 x 109 J/tbiomassa x 25,42 t/ha = 1,18 x 10
8 J/ha
125
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 5152 t/a = 14,31 t/dia
Produtividade da biomassa = 25,42 t/ha
Energia (J) == (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 5,89 x 107 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej/U$ (COHEN et al., 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
126
M (Materiais)
11 Mudas (J)
Consumo 1700 unidades = 595000 J/ha (PEREIRA, 2008)
Reforma da lavoura = 20% = 0,20
Consumo (kg) = (consumo) x (% da reforma)
= (595000) * (0,20) = 119000 J/ha
Transformidade = 5,0 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
12 Inseticida (L)
Consumo = 4,0 L/ha.ano no plantio (COELHO et al., 20013)
Reforma da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186
J/kcal) = (4,00 L/ha.ano) x (20%) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 3,32 x 103 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 64,5 kg/ha.ano (COELHO et al., 20013)
Consumo (kg) = (consumo)
= (64,5 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (64,5) x (1 x 103) = 6,45 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 142,3 kg/ha.ano (COELHO et al., 20013)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 89,0 kg/kg (COELHO et al., 20013)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
127
16 Calcário (kg)
Consumo = 1500 kg/ha.ano (COELHO et al., 20013)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores, transp. insumos e de trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores, transp. insumos e trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
128
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (PEREIRA, 2008)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN et al., 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 9,74x10+15
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção de biomassa (kg) = (m3/ha) x (massa específica do eucaliptus grandis)
= (41 m3/ha) * (0,62 g/m
3) = 25420 kg/ha (MOREIRA et al., 2005)
129
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 4326
(LOURENÇO, 2012)
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= 4,60 x 1011
J / ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (Eucalipto):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 16,6%
Transformidade (Tr) = Y/E = 2,121x10+4
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 1,51
g. Diagrama emergético do ciclo de produção do capim-elefante
130
Sol
Vento
Plantio do
capim-elefante
Chuva
Bens
econômicosCombus-
tíveis
Processos
geológicos
SolosBens
água
Escoamento
superficial
de água
transporte,
processa-
mento
Caldeira +
Turbo-
Gerador
Resíduo
(bagaço)
$
Serviços$
$
Resíduos
(palha)
Energia
Elétrica
Biomassa: capim-elefante
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 20013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)]
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo)
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1 –
albedo)
= 4,33 E+13 J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
131
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 20130
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (EMBRAPA, 2013)
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 E+3 J/kg
(AGOSTINHO, 2009)
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = plantação florestal = 15 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (15t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186 J/kcal)
= 1,36 x 1010
J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
132
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN et al., 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Biomassa processada = 5446 t/a = 15,13 t/dia
Produtividade da biomassa = 40 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade
x (biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 20 x 2500 x 4186 x 15,13 / 40 = 7,92 x 107 J/ha
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
133
Biomassa processada = 5446 t/a = 15,13 t/dia
Produtividade da biomassa = 40 t/ha
Energia (J) == (... funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 3,96 x 107 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012 sej/U$ (COHEN et al., 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano
(MOREIRA et al., 2005)
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg
(AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
11 Mudas
Consumo 6100 kg = 2.347.890 J/ha.ano (ZANETTI et al., 2010)
Reforma da lavoura = 20% = 0,20
Consumo (kg) = (consumo) x (% da reforma)
= (2347890) * (0,20) = 469578 J/ha.ano
Transformidade = 5,0 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
134
12 Herbicidas (L)
Consumo = 1,50 L/ha.ano = 451.666 (ZANETTI et al., 2010) Reforma
da lavoura = 20%
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (densidade do inseticida) x (4186
J/kcal) = (1,50 L/ha.ano) x (0,20) x (0,99 g/cm3) x (4186)
= 1,24 x 103 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 100 kg/ha.ano (ZANETTI et al., 2010)
Massa específica = 1 x 103 g/kg
= (100 g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg)
= (100) x (1 x 103) = 1,00 x 10
5 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 150 kg/ha.ano (ZANETTI et al., 2010)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 180 kg/ha.ano (ZANETTI et al., 2010)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Calcário (kg)
Consumo = 500 kg/ha.ano (ZANETTI et al., 2010)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
135
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg/ tbiomassa) x (....tbiomassa/ha)
= (6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa) x (24,16 tbiomassa/ha)
= 1,56 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbioma (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (...L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186
J/kcal)
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (MOREIRA et al., 2005)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
136
Consumo (kg) = 1,2225 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (MOREIRA et al., 2005)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (BASTIANONI et al., 2005)
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= (2,31 x 10-1
) x (24,16)
= 5,58096 U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (COHEN et al., 2006)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 9,77436x10+15
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção de biomassa (kg) = 40 t/ha (ZANETTI et al., 2010)
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 4094
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= (40000) x (4094) x (4186)
= 6,85 x 1011
J / ha.ano
137
Cálculos dos índices emergéticos (capim-elefante):
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 100 x (1,61x10+15
/ 9,74x10+15
) =
= 18,82%
Transformidade (Tr) = Y/E = 9,74x10+15
sej/ha.ano/4,60x10+11
J/ha.ano = 1,43x10+04
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 9,74x10+15
/ 6,44+15 = 1,30
138
h. Diagrama emergético do ciclo de produção do bagaço de cana-de-açúcar
Biomassa: bagaço de cana-de-açúcar
Inputs
R (Renováveis)
1 Radiação do Sol
Radiação solar Média anual (kWh/m2.dia) = 4.90 x 360 d. = 1768 kWh/m
2.ano
(SOLAR ENERGY, 2013)
Albedo = 0,32 (NASA, 2013)
Latitude: 22.88; Longitude: 47.08;
Energia (J) = (radiação solar anual média) * (1 – albedo) =
= (1768 kWh/ m2.ano) x (3,6 x10
+6 J/kWh) x (1,0 x10
+4 m
2 / ha)x (1 – albedo)
= 4,33 x10+13
J/ha.ano
Transformidade = 1 sej/J (definição) (ODUM, 1996) (ORTEGA, 2011)
2 Chuva
Precipitação anual = 1424,5 mm = 1,4245 m2 (CEAGRI, 2013)
139
Evapotranspiração = 1035 mm = 1,035 m2 (0,72) (EMBRAPA, 20130
Energia da chuva = Energia Livre de Gibbs = 5,0 Ex103 J/kg
(AGOSTINHO, 2009)
Densidade da água = 1,0 x10+3
kg/m3
Energia (J) = (precipitação) * (evapotranspiração) * (energia da chuva) * (densidade)
= (1,425 m2) * (0,72) * (5000 J/kg) *(1,0 x10
+4 m
2/ha)(1,0 x10
+3- kg/m
3)
= 5, 13x10+10
J/ha.ano
Transformidade = 3,0 x10+4
sej/J (PEREIRA, 2008)
N (Não renováveis)
3 Perdas de solo
Perda de solo = plantação florestal = 40 t/ha.ano (ORTEGA, 2013)
Matéria Orgânica = 4% (solo agrícola fértil)
Energia da matéria orgânica = 5400 kcal/kg m.o.)
Energia (J) = (perda de solo) x (% matéria orgânica) x (energia matéria orgânica)
= (40t/ha.ano) x (1,0 x10+3
kg/t) x (0,04 m.o.) x (5400 kcal/kg m.o.) x (4186
J/kcal)
= 3,62 x 1010
J/ha.ano
Transformidade = 1,24 x 105 sej/J (PEREIRA, 2008)
S (Serviços)
4 Mão-de-obra simples – colheita
Número de funcionários = 10 (AGOSTINHO, 2009)
Horas trabalhadas/homem = 318
Consumo energético = 3200 kcal/dia por homem
Consumo (J) = (número de funcionários) x (consumo energético/dia) x (número horas
trabalhadas/ano)/(4186 J/kcal)
= (número de horas/homem) x (3,2 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal)
= 4,26x10+09
J/ ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
140
5 Despesas Administrativas – agrícolas
Despesas (J) = 1,95 x 102 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 2,44 x 101 U$/t
= 1,95 x 102 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
6 Impostos e Taxas – agrícola
Despesas (J) = 3,85 x 101 U$/ha.ano (BROWN e ULGIATI, 2004)
= 4,81 x 10-1
U$/tbiomassa
= 3,85 x 101 U$/ha.ano
Transformidade = 3,7 x 1012
sej/J (COHEN et al., 2006)
7 Mão-de-obra – fixa
Número de Funcionários = 20 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Biomassa processada = 7285 t/a = 20,24 t/dia
Produtividade da biomassa = 24,40 t/ha
Consumo (J) = (no. funcionários) x (consumo energético) x conversão de unidade
x (biomassa processada) / produtividade da biomassa
= (20 funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 1,74 x 108 J/ha
Transformidade = 2,80x10+06
sej/J (AGOSTINHO, 2009)
8 Mão-de-obra temporária
Número de Funcionários = 10 homem/ha.ano
Consumo energético = 2500 kcal/dia
Conversão de unidades J/kcal = 4186
Biomassa processada = 7285 t/a = 20,24 t/dia
141
Produtividade da biomassa = 24,40 t/ha
Energia (J) == (10 funcionários) x (2,5 x 103 kcal/dia) x (4186 J/kcal) x (biomassa
processada (t/dia)) / produtividade da biomassa (t/ha)
= 8,68 x 107 J/ha.ano
Transformidade = 2,80 x 106 sej/J (AGOSTINHO, 2009)
9 Impostos e Taxas – indústria
Despesas (J) = 1,42 U$/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 3,70 x 1012 sej/U$ (COHEN et al., 2006)
10 Transporte – usina (J)
Consumo (plantio a indústria) = 36,6 L gasolina/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Massa específica do combustível = 7,42 x 10-1
kg/L
Energia do combustível = 10000 kcal/kg (AGOSTINHO, 2009)
Conversão de unidades J/kcal= 4186
Consumo (L) = (consumo) x (massa específica do combustível) x (energia do
combustível)
= (36,6 L/ha.ano) x (7,42 x 10-1
kg/L) x (1 x 104 kcal/kg) x (4186 J/kcal)
= 1,14 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 6,60 x 104 sej/J (ORTEGA, 2012)
M (Materiais)
11 Mudas
Consumo = 14 t/ha (PEREIRA, 2008)
Reforma da lavoura = 20% = 0,20
Consumo (kg) = (consumo) x (% da reforma)
Conversão kg/t = 1000
= (14) x (0,20) x (1000) = 2800 kg/ha
Transformidade = 7,50 x 1010
sej/J (PEREIRA, 2008)
142
12 Corretivos (J)
Consumo = 400 kg/ha.ano no plantio (PEREIRA, 2008) Reforma da
lavoura = 20%
Energia do corretivo = 611 J/g
Consumo (kg) = (consumo) x (% reforma) x (energia do corretivo) x (4186 J/kcal)
= (400 kg/ha.ano) x (20%) x (611)
= 2,44 x 108 J/ha.ano
Transformidade = 2,72 x 106 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
13 Nitrogênio (kg)
Consumo = 16 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Conversão g/kg = 1000
Consumo (kg) = (consumo)
= (consumo g/ha.ano) x (1 x 103 g/kg) =
= (16) x (1 x 103) = 1,60 x 10
4 kg/ ha.ano
Transformidade = 6,38 x 109 sej/J (WITTMANN E BONILLA, 2009)
14 Fósforo (kg)
Consumo = 98 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 6,55 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
15 Potássio (kg)
Consumo = 21 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 2,92 x 1012
sej/J (PEREIRA, 2008)
16 Herbicidas (kg)
Consumo = 45 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 2,48 x 1010
sej/kg (PEREIRA, 2008)
17 Implementos agrícolas – equipamentos de aço (kg)
143
Peso = 4,33 kg/ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 4,33 kg/ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
18 Pneus – agrícola (kg)
Peso = 1,18 kg/ ha.ano (inclui implementos, tratores e transp..de insumos e de
trabalhadores)
Consumo (kg) = 1,18 kg/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
19 Caminhão para transporte da biomassa (kg)
Peso = 6,46 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = 5,17 J/ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg
20 Pneus – transporte da biomassa (kg)
Peso = 2,46 x 10-2
kg/ tbiomassa
Consumo (kg) = 1,97 J/ ha.ano (PEREIRA, 2008)
Transformidade = 1,79 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
21 Diesel - transporte da biomassa (L)
Consumo = 0,53 L diesel/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (consumo) x (densidade) x (energia do diesel)
Consumo (kg) = (0,53 L/ tbiomassa) x (8,4 x 10-1
kg/L) x (1 x 10-4
kcal/kg) x (4186 J/kcal)
Consumo (kg) = 1,49 x 109 J/ha.ano
Transformidade = 5,50 x 104 sej/L (PEREIRA, 2008)
22 Equipamentos industriais (kg)
Peso = 5,06 x 10-2
kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
144
Consumo (kg) = 4,5 kg/ ha.ano
Transformidade = 1,13 x 1013
sej/kg (PEREIRA, 2008)
23 Insumos industriais (kg)
Peso = 1,17 kg/ tbiomassa (PEREIRA, 2008)
Consumo (kg) = (....kg / tbiomassa) x (....tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = (1,17 kg / tbiomassa) x (24,16 tbiomassa / ha)
Consumo (kg) = 28,67 kg / ha.ano
Transformidade = 3,80 x 1012
sej/kg (PEREIRA, 2008)
24 Infra-estrutura (U$)
Investimentos = 2,31 x 10-1
U$ / tbiomassa
Investimentos = ( ....U$ / tbiomassa) x ( .... tbiomassa / ha)
= 2,31 x 10-1
U$ / ha.ano)
Transformidade = 3,70 x 1012
sej / U$ (PEREIRA, 2008)
25 Emergia total (Y)
Somatória de todas as emergias do processo = 7,62x10+15
sej/ha.ano
Outputs
26 Energia produzida (E)
Produção de biomassa (kg) = (11,7 t/ha)
PCI - Poder Calorífico Inferior da Biomassa (kcal / kg) = 3995
Fator de conversão de Kcal para J = 4186
Energia produzida (J) = (produção da biomassa) x (PCI da biomassa) x (J/kcal)
= 1,96x1011
/ ha.ano
Cálculos dos índices emergéticos (bagaço de cana-de-açúcar):
145
Porcentagem de Renovabilidade (%R) = 100 x R/Y = 24,99%
Transformidade (Tr) = Y/E = 3,45x10+4
sej/J
Razão do Rendimento Emergético (EYR) = Y/F = 9,74x10+15
/ 6,44+15 = 1,35
146
ANEXO: USINA DE REFERÊNCIA PARA PRODUÇÃO INTEGRADA DE
ETANOL E ENERGIA
Características e condições de operação parâmetros unidade
Moagem anual de cana-de-açúcar 2.160.000 TCS
Moagem diária de cana-de-açúcar 500 TCD
Quantidade de bagaço gerado 136,8 t/h
Quantidade de bagaço queimado 130,3 t/h
Consumo de vapor no processo 300 kgv/tc
Pressão do vapor gerado 100 bar
Temperatura do vapor gerado 530 ºC
Vazão de vapor extraído a 2,5 bar 170 t/h
Vazão de vapor na válvula redutora de pressão 0 t/h
Vazão de vapor para turbo de condensação 118,7 t/h
Geração total de energia 69,9 MW
Consumo da planta 19,2 MW
Geração de excedente 50,7 MW
Fonte: (OLIVERIO et al., 2010)
