Combustíveis e Combustíveis e BiocombustíveisBiocombustíveis

UNIVERSIDADE ESTADUAL UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRODO CENTRO--OESTEOESTE

Maio de 2014

Profa Dra Gilmara de Oliveira Machado

Departamento de Engenharia Florestal

Análise de Matéria-prima Oriunda de Biomassa

Análises de matérias-primas oriundas de

Biomassa

⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ Definição de Bioenergia.⇒⇒⇒⇒ Composição química da biomassa vegetal.⇒⇒⇒⇒ Insumos que são usados para produzirbioenergia.⇒⇒⇒⇒ Como se produz os insumos?⇒⇒⇒⇒ Qual é o potencial de produção?⇒⇒⇒⇒ Quais são os principais bioenergéticos ?

BioenergiaÉ a energia derivada de

qualquer forma de biomassa(combustível de origem biológica,se obtém a partir de organismosque estiveram vivos recentemente)Exemplos:

Árvores: lenha e carvão vegetal

Plantações agrícolas: casca dePlantações agrícolas: casca dearroz, serragem e bagaço da cana-de-açúcar

Gordura animal e Óleos vegetais

Resíduos orgânicos

Todos esses exemplos são fontesde Bioenergia.

BIOMASSA MODERNA VERSUS BIOMASSA TRADICIONAL

Infelizmente, no que se refere à participação da Bioenergia como fonte deenergia, uma grande parte dessa Bioenergia é o que se chama de Biomassatradicional utilizada com baixa eficiência de conversão (fogões à lenha: de 5 a10%)

A) Tecnologias tradicionais de uso da biomassa (ou biomassatradicional): combustão direta de madeira, lenha, carvão vegetal, resíduosagrícolas, resíduos de animais e urbanos, para cocção, secagem e produção decarvão. As chamadas “biomassas tradicionais” são aquelas não sustentáveis,utilizadas de maneira rústica, em geral para suprimento residencial (cocção eaquecimento de ambientes) em comunidades isoladas. Pode-se destacar amadeira de desflorestamento, resíduos florestais e dejetos de animais.

B) Tecnologias “aperfeiçoadas” de uso da biomassa (ou biomassa“aperfeiçoada”): tecnologias aperfeiçoadas e mais eficientes de combustão diretade biomassa, tais como fogões e fornos.

C) Tecnologias modernas de uso da biomassa (ou biomassa moderna):tecnologias avançadas de conversão de biomassa em eletricidade e o uso debiocombustíveis. São consideradas “biomassas modernas” os biocombustíveis(etanol e biodiesel), madeira de reflorestamento, bagaço de cana-de-açúcar ebiogás, desde que utilizadas de maneira sustentável, em processos tecnológicosavançados e eficientes.

A Bioenergia é expressiva?

Contribui para atender a demanda atender a demanda

de energia do Mundo? E a do

Brasil?

Dados Mundiais (%) Dados Brasileiro (%)

Combustíveis

fósseis81,6 Biomassa da cana 15,4

Biocombustíveis

e resíduos10 Hidroeletricidade 13,8

Nuclear 5,1 Lenha e carvão vegetal 9,1

Madeira para

energia47 Madeira para energia 62

Bioenergia Moderna no

MundoCombustíveis fósseis 56,1

Mundo

Como fonte

de energia

Como fonte

de

eletricidade

Consumo de Energia pelas famílias brasileiras (lenha e

GLP/gás natural)

(Demanda de lenha pelas famílias: Valor médio

constante e igual a 10,3 kg/domicílio/dia para

consumidores exclusivos de lenha e 8,3 kg/domicílio/dia

para consumidores de lenha e outros combustíveis)

46 EJ 4,5 EJ 27,2% de lenha 28,1% de GLP/gás natural

Número de domicílios que utilizam lenha no Brasil (mil unidades)

Norte

286

Nordeste

1860

Sul

1313

Sudeste

1818

Centro-oeste

220

Brasil

5498

Participação da Bioenergia no Cenário Mundial

BIOENERGIA

Como fonte de Energia

∼∼∼∼ 16%

Como fonte deEletricidade

∼∼∼∼ 5%

Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Energia

Bioenergia (Renewables): parcela amarela (16,7%). Grande parte daBioenergia é Biomassa Tradicional (8,5%). Biomassa moderna seria, por exemplo,os biocombustíveis, biofuels (etanol e biodiesel, 0,7%) com uma participação bempequena.

Participação da Bioenergia no Cenário Mundial como fonte de Eletricidade

Combustíveis: 79,7%(Fósseis e Nuclear)

Bioenergia: 5%

Hidrelétrica: 15,3%

Combustíveis Fósseis

http://cenbio.iee.usp.br

Fontes de Biocombustíveis

Resumo

FONTES DE BIOMASSA: Vegetais não lenhosos

Matéria-prima Produção(agrícola, tons)

Produção(resíduo, t/ha)

Matéria(seca,%)

Produçãototal (de

Resíduo,Tons)

Cana (bagaço) 396.012.158 7,0 – 13,0 23,4 59.401.824

Arroz (casca) 10.334.603 4,0 – 6,0 89,0 2.937.094

Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004

Café (casca) 2.454.470 - - 1.662.658

Mandioca (rama) 21.961.082 6,0 – 10,0 90,4 6.524.206

Milho (palha e sabugo) 48.327.323 5,0 – 8,0 90,5 64.028.870

Soja (restos de cultura) 51.919.440 3,0 – 4,0 88,5 80.746.839

Mamona 111.100 - - -

Algodão 2.199.268 - - -

FONTES DE BIOMASSA: resíduos sólidos urbanos

Índices de produção per capita de resíduos sólidos domiciliares em função da população

urbana

População (hab.) Produção (kg/hab.dia)

Até 100.000 0,4

De 100.001 a 200.000 0,5

De 200.001 a 500.000 0,6

Mais de 500.001 0,7

Resíduos Produção PCS (MJ/kg, base seca)

Disponibilidade

FONTES DE BIOMASSA: resíduos industriais

Disponibilidade de resíduos agroindustriais

(MJ/kg, base seca)

Bagaço cana 250 – 300 kg/ton cana 18,4 100%

Licor negro 800 kg/ton celulose (base seca)

12,5 80%

Borra de café 4,5 ton/ton café solúvel 14,6 60 a 80%

FONTES DE BIOMASSA: resíduos animais

Quantidade de excremento produzido por diferentes animais

Animal Massa(animal, kg)

Volume(excremento, m3/dia)

Massaúmida

(excremento,

Matéria seca (%)

(excremento,kg/dia)

Gado de corte 500 0,028 – 0,037 27,7 – 36,6 10

Gado de leite 500 0,031 – 0,035 30,2 – 35,0 10

Suínos 100 0,0056 – 0,0078 5,4 – 7,6 10

Equinos 500 0,025 28 20

Aves 2,5 0,00014 – 0,00017 0,14 – 0,17 20

Ovelhas - 2,0 20

FONTES DE BIOMASSA: resíduos florestais

Consumo industrial de madeira em toras no Brasil (1000 m3 )

Produto Nativas Plantadas TotalProduto Nativas Plantadas Total

Celulose e papel - 32.000 32.000

Carvão vegetal 11.800 33.400 45.200

Lenha industrial 16.000 13.000 29.000

Serrados 34.000 15.100 49.100

Lâminas e compensados 2.050 3.960 6.010

Painéis reconstituídos - 5.000 5.000

Total 63.850 102.460 166.310

Biocombustíveis GJ/ha

Biodiesel de girassol 36

Biodiesel de soja 18 – 25

Rendimento Energético: aspecto importante no cultivo e na produção de biocombustíveis

de primeira geração (vias convencionais).

Biodiesel de soja 18 – 25

Etanol de trigo 53 – 84

Etanol de milho 63 – 76

Etanol de açúcar de beterraba 117

Etanol de Cana-de-açúcar 110 – 140

Biocombustíveis GJ/ha

Etanol de Panicumvirgatum

228 - 407(futuro)

Plantação de eucalipto:

Rendimento Energético: biocombustíveis de segunda geração (produtos de pirólise, de

gaseificação, etanol celulósico, etc).

Plantação de eucalipto: biodiesel Fischer –Tropsch (FT) por gaseificação

460 - 620

Plantação de eucalipto: metanol

800 - 1000

Plantação de eucalipto: dimetil éter (DME)

850 – 1100

CONSTITUIÇÃO QUÍMICA DA BIOMASSA DE ORIGEM VEGETAL

BIOMASSA

Baixa massa molar

Altamassa molar

Orgânica

Extrativos

Inorgânica

Cinzas

Polissa-carídeos

Celulose Polioses

Lignina

CO2 + H2OO2H2O carboidrato + +fotossíntese

PARA PRODUZIR O ETANOL, POR EXEMPLO, PARTIMOS DE PELO

MENOS TRÊS FORMAS DE BIOENERGIA

CANA-DE-AÇUCAR (BRASIL)

MILHO (ESTADOS UNIDOS)

TRIGO (EUROPA)

CANA

MILHOTRIGO

Sorgo

Os amidos são carboidratos complexos, que devem ser transformadospara obtenção de açúcares mais simples para fermentação. Ex: milho(Zea mays L.), mandioca (Manihot utilíssima) e batata-doce [Ipomoeabatatas L. (Lam.)]. O Sorgo granífero cv. Sacarino (Sorghum bicolor (L.)Moench) com os nomes populares: Milho da Angola, Milho da Guiné.

ETANOL E SEUS COPRODUTOS

Etanol Celulósico

Capim-elefante

Celulósicos: é necessária a hidrólise do material para que se possa utilizar oscarboidratos em sua forma mais simples. Ex: capim-elefante (Pennisetumpurpurem Schumach); gramíneas forrageiras, etc.

Etanol Celulósico

OHn-2H

O

OHOH

CH2HO OH

OHCH2

OHCH2

HO

HO OH

O

OOO

Hidrólise

Motivação: obtenção de combustível líquido

Produção de celulose: 100 bilhões t/ano; 70 Kg/dia/habitante

Celulose: compreende cerca de 2/3 de toda matéria orgânica da Terra

OHHO

OHglicose

CH2 OOHHO

fermentação

levedurasetanol

CUSTO POR PRODUÇÃO(Embrapa)

1 litro de etanol da cana: 0,34 dólar/litro

1 litro de etanol derivado do milho: 0,50 dólar/litro

1 litro de etanol de celulose: 1,10 dólar/litro

MADEIRA, GERALMENTE O EUCALIPTO, PARA FAZER

CARVÃO VEGETAL

Eucalipto e Florestas Energéticas

Forma maciços florestaisque gera uma grande quantidadeque gera uma grande quantidadede energia por hectare, no menorespaço de tempo possível, temespécies de rápido crescimentoe alta massa específica,tolerância à alta densidade deárvores por área e menor ciclode corte (plantios de curtarotação).

+ Madeira Calor

Carbonização

Forma lenta de pirólise empregada há séculos a fim de converter a lenha em um

combustível mais homogêneo e de maior densidade energética

Pirólise da Biomassa

Voláteis condensáveis

Gases

Cinzas

Carvão vegetal

BIOGÁS O Biogás é uma mistura gasosa

composta principalmente de

metano (CH4).

Gás produzido por meio da fermentação

de resíduos orgânicos: resíduos

de animais e resíduos de animais e resíduos agrícolas.

Nos biodigestores, as bactérias digerem a

biomassa e produzem biogás. O Biogás pode ser utilizado

para cocção de alimentos e geração de energia elétrica.

BIODIESEL Para produzir biodiesel utilizamos plantas que

produzem óleo

Oleaginosas: óleo de dendê, de soja, de

girassol, de mamona, etc.

Exemplos de Oleaginosas: Anajá (Maximiliana maripa (Correa) Drude), Buriti(Mauritia flexuosa L. f.), Canola (Brassica napus L. var. oleifera.), Canudo-de-pito(Mabea fistulifera Mart.), Cártamo (Carthamus tinctorius L.), Castanha-do-brasil(Bertholletia excelsia), Gergelim (Sesamum indicum L.), Girassol (Helianthusannus L.), Linhaça (Linum usitatissimun L.), Mamorana (Pachira aquática Aubl.),Marajá (Bactris tomentosa Mart.), Nabo forrageiro (Raphanus sativus L.), Perinão(Markleya dahlgreniana (Bondar) Wess. Boer.), Pinhão-manso (Jatropha curcasL.), Saboneteiro (Sapindus saponaria L.), Sapucaia (Lecythis pisonis Camb.),Tucumã (Astrocaryum aculeatum G.F.W. Mayer), Tungue (Aleurites fordii Hemsl. eA. montana (Lour.) Wils.) e Ucuúba (Virola surinamensis (Rol.) Warb.).

Biodiesel

Pode ser utilizado puro ou

misturado com o óleo diesel na

proporção de 5 a 30% em

motores diesel convencionais,

sem a necessidade de adaptação

Biodiesel

Transesterificação de Óleos Vegetais

CH3H2C O C

O

(CH2)14

CH3HC O C

O

(CH2)16

CH3H2C O C

O

(CH2)16

ÓLEO VEGETAL

+ CH3 CH2 OH

ÁLCOOL

TRANSESTERIFICAÇÃO

O C

O

CH2 CH3CH3 (CH2)162CH3 (CH2)14 O C

O

CH2 CH3

BIODIESEL

+CH2 CH CH2

OH OH OH

GLICERINA

Buriti

Presente no oesteda Amazônia brasileira,numa área superior a 8milhões de hectares. Commilhões de hectares. Comuma produtividade nativade 500 plantas por hectare,a capacidade anual deprodução é de 5 toneladasde óleo por hectare. Opotencial de produçãoanual pode alcançar 40milhões de toneladas deóleo.

BabaçuOcupa uma área

nativa estimada em 14milhões de hectares,dos quais 70% estão noMaranhão.

A produtividadeA produtividademédia é de 200 plantaspor hectare e opotencial de produção éde 5 milhões detoneladas de óleo porano. Estima-se que estepotencial pode serdobrado com manejoagronômico.

Dendê (óleo de palma)As condições climáticas e de

solo tanto da região sul - baiana quantoda Amazônia permitem uma fáciladaptação desta oleaginosa de origemafricana. A palma africana (dendezeiro)pode ser cultivada em solos pobres,como o são a maioria dos solos daAmazônia e estabelece rapidamenteuma cobertura arbórea, imitando auma cobertura arbórea, imitando afloresta tropical. A formação deflorestas de dendê pode ocorrer emáreas de solo degradado pelasqueimadas ou por intensa atividadepecuária. O dendezeiro apresenta umgrande rendimento por hectareplantado, com a produtividade de 3 a 6 tóleo/ha/ano, enquanto a produtividadeda soja, por exemplo, é da ordem de 0,4a 0,5 t/ha/ano

Plantas aquáticas que possuempotencial para geração de energia.Entre elas estão o aguapé ou lírioaquático (Eichhornia crassipesMartius.); algas e microalgas.

Aguapé, Eichhornia crassipes Martius.

Aguapé

O aguapé se sobressai por possuir a capacidade de fixar, nosseus tecidos, nutrientes em quantidades superiores às necessidades deseu metabolismo, além de elementos químicos estranhos à sua nutrição(como os metais pesados).

Outro destino adequado a esta biomassa é sua utilização embiodigestores anaeróbicos com a finalidade de obtenção de biogás. Alémdo gás obtido no processo, é produzido no interior do biodigestor umexcelente fertilizante (Cuidado! Ver questão de metais pesados!!!!!).

FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos

Resíduos orgânicos - Agropecuários: mandioca, o objetivo é a produção deraízes, sendo o restante da planta (parte aérea e cepa) considerado resíduo.Estima-se que o resíduo pode ter entre 30 a 50% da matéria seca produzida,viabilizando sua utilização para combustão e geração de energia. Poder caloríficodo resíduo: 15,76 MJ/kg.

FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos

Resíduos orgânicos - urbanos: são aqueles resíduos sólidos gerados nosambientes doméstico e comercial. Sendo assim, englobam domicílios, escritórios,escolas, hotéis, restaurantes, varredura e podas urbanas, entre outros. Pode-sedefinir como resíduo urbano ou lixo: os restos das atividades humanas,considerados pelos geradores como inúteis, indesejáveis ou descartáveis.

FONTES DE BIOENERGIA: Resíduos Orgânicos

Resíduos orgânicos - Agroindustriais: Em geral, os resíduos agroindustriaisgerados possuem valor energético, reduzindo a dependência da energiacomprada e são utilizados para a geração de vapor ou eletricidade. Os setorescom possibilidade de aproveitamento de seus resíduos:

• Indústrias de açúcar e álcool;• Matadouros e frigoríficos; curtumes; indústrias da pesca;• Fábrica de doces e conservas;• Indústria da madeira;• Indústria de papel e celulose.

Rotas de Produção

de

Energia a partir de Energia a partir de

Biocombustíveis

COMBUSTÃO

♣♣♣♣ Reação exotérmica muito rápida entre a madeira (combustível) e o

oxigênio (ar: 21% O2 e 79% N2) acompanhada por liberação de calor

♣♣♣♣ O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão, quando todo o carbono no combustível é oxidado (reage com oxigênio) para dióxido de carbono, todo hidrogênio para água e todo enxofre para dióxido de enxofre

Diferentes Tipos de Fogões para Biomassa

Tipo de fogão Eficiência

Fogão de 3 pedras 7 – 10 / 10 - 15

Eficiências registradas em diferentes tipos de fogões à lenha e cozinhas comerciais

Fogão “pesado” com chaminé 15 - 23

Fogão sem chaminé para uma panela 30 - 35

Fogão sem chaminé para duas panela 18 - 22

Fogão compacto para serragem 15 / 32 – 36

Fogão à gás 57

Fogão elétrico 50

ELEMENTOS QUÍMICOS NA BIOMASSA RESPONSÁVEIS PELA LIBERAÇÃO

DE CALOR

CH CH

S

UM COMBUSTÍVEL PODE CONTER UMA PORÇÃOINCOMBUSTÍVEL

CINZASUMIDADE

OXIGÊNIO E NITROGÊNIO

ProcessosFísicos

Densificação: pellets e briquetes

Redução granulométrica: aparas

Prensagem mecânica: óleo vegetal

Processos de Conversão Energética da Biomassa

para a obtenção de biocombustíveis de maior

densidade energética

BIOMASSA Processos Termoquímicos

Combustão

Pirólise

Gaseificação

Liquefação: hidrocarbonetos, bioóleos

Processos Biológicos

Fermentação: etanol

Digestão anaeróbica: biogás

BriqueteBriqueteOO briquetebriquete ee pelletspellets éé

umum pequenopequeno blocobloco dede formaformaprépré--definida,definida, resultanteresultante dadaaplicaçãoaplicação dede pressãopressão ememumauma misturamistura dede resíduos,resíduos,dentrodentro dedemoldesmoldesmatrizesmatrizes..

VERSÕES DA TECNOLOGIA DE PIRÓLISE

Processo de

Pirólise

Tempode

residência

Taxade

aquecimento

TemperaturaMáxima (ºC)

ProdutosPrincipais

Carbonização Horas-dias Muito pequena 400 Carvão vegetal

Convencional 5-30 min Pequena 600 Bioóleo,Carvão e gás

Rápida 0.5-5s Intermediária 650 BioóleoRápida 0.5-5s Intermediária 650 Bioóleo

Flash pirólise <1s Alta <650 Bioóleo e gás

Ultra-rápida <0.5s Muito alta 1000 Produtos químicos e gás

combustível

Vácuo 2-30s Intermediária 400 Bioóleo

Hidropirólise <10s Alta <500 Bioóleo e produtos químicos

Metanopirólise <10s Alta >700 Produtos químicos

Gaseificação da BiomassaGaseificação da Biomassa

Gaseificação da Biomassa

A gaseificação é um processo

termoquímico de conversão da biomassa

(lenha ou carvão vegetal) num gás com(lenha ou carvão vegetal) num gás com

características basicamente combustíveis.

O gás combustível possui CO e H2 como

os mais importantes componentes

energeticamente ativos.

Fundamentos Teóricos da Gaseificação

► Todo gaseificador tem uma etapa de pirólise precedendo a etapa de

gaseificação e as reações envolvidas podem ser analisadas

separadamente.

Secagem e Pirólise

► Evaporação da água

► Decomposição térmica dos polissacarídeos com produção de voláteis

► Produção de alcatrão

► Gases não condensáveis: CO, CO2, H2, CH4, O2

► Carvão vegetal

Fundamentos Teóricos da Gaseificação

As reações químicas que ocorrem na zona de combustão são

basicamente a combinação de oxigênio do ar com o carbono e o

hidrogênio

Combustão

É a oxidação do carbono em altas temperaturas e em contato comÉ a oxidação do carbono em altas temperaturas e em contato como oxigênio, produzindo calor para manter as reações

► Objetivo: liberação de energia na forma de calor (energia térmica)

► Biomassa (C,H,O) + O2 → CO2 + H2O (combustão completa)

► Biomassa (C,H,O) + O2→ CO (combustão incompleta)

Gaseificação do Carbono (~ 700 a 1000ºC)

Gás carbônico é reduzido endotermicamente para CO. O vapor de

água sofre várias reações com o carbono (C) produzindo hidrogênio (H2).

O hidrogênio ao passar através do carbono quente se combina com este

formando hidrocarbonetos leves, principalmente metano.

ReaçõesReações

► C (sólido) + CO2 → 2 CO (gás)

► C (sólido) + H2O → CO + H2 (gases)

► C (sólido) + 2H2O → CO2 + 2H2 (gases)

► C (sólido) + 2 H2 → CH4 (gás)

CO como matéria-prima de compostos orgânicos

As misturas de CO e H2 levam a formação de muitos produtos

orgânicos dependendo da temperatura, da pressão e do catalisador.

Síntese do MetanolSíntese do Metanol

CO (g) + H2 (g) → CH3OH (álcool)

O metanol é preparado na presença de catalisador de óxido

de zinco-óxido de cromo III (ZnO-Cr2O3)

CO como matéria-prima de compostos orgânicos

As misturas de CO e H2 podem ser convertidas, pela metanização

catalítica à metano que pode ser usado como combustível

Síntese do MetanoSíntese do Metano

CO (g) + 3H2 (g) → CH4 + H2O

O metano é preparado na presença de catalisador de níquel

(Ni)

CO como matéria-prima de compostos orgânicos

As misturas de CO e H2 podem ser convertidas em gasolina

sintética pelo uso apropriado de catalisador. Estes combustíveis líquidos

contêm muitos hidrocarbonetos, como o octano C8H18

Síntese do Octano

8CO (g) + 17H2 (g) → C8H18 + 8H2O

O metano é preparado na presença de catalisador Fe-CO

Obrigada pela

atenção !

Gilmara de Oliveira Machadoe-mail: gilmaramachado@yahoo.com.br