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Usina de álcool minimizada: uma termoelétrica à biomassa de cana de açúcar.Análise emergética do sistema "MUAI" de tamanho médio para produção de etanol, eletricidade e alimentos.
Dr. Enrique Ortega FEA, Unicamp, Brasil
III Taller de Energías Renovables. X Escuela Internacional de Verano de Ciencia y Tecnología de los Metales.
Universidad de La Habana. Cuba, 14 de julio de 2003.
MUAI: Mini-Usina de Álcool Integrada a produção de eletricidade e alimentos.
Uma proposta do grupo de pesquisa da Escola de Engenharia de São Carlos, USP, Brasil:
Dr. Romeu Corsini, Dr. Geraldo Lombardi, MS. Aldo Ometto. Conta com várias colaborações: Dr. Pedro Rodríguez Ramos do Instituto Politécnico
“Luis Antonio Echavarria” de la Habana e
Enrique Ortega e Osmar Coelho da Unicamp.
Escolha entre alternativas renováveis e não renováveis
Sol,vento,chuva
$
$
Sol,vento,chuva
$ recursos nãorenováveis
Sol,vento,chuva
recursosrenováveis
inf. inf.
Impactos da monocultura de exportação:- Importação de insumos químicos- Uso intensivo de substâncias tóxicas- Uso intensivo de maquinária e combustível- Exodo rural e desemprego urbano- Investimentos urbanos e serviços para os marginalizados- Destruição da cobertura vegetal natural- Destruição do patrimonio cultural e infra-estrutura- Perda do solos e da biodiversidade- Diminuição da recarga de aqüiferos- Poluição dos recusos hídricos e dos alimentos- Enfermidades
Benefícios da policultura e o consumo interno:- Auto-suficiência de insumos e energia- Processo ecológico intensivo em mão-de-obra- Uso da cobertura vegetal natural e dopatrimonio cultural- Recarga de aqüiferos
Políticas pública edecisões individuais:- Escolhas no consumo- Escolha de apoios
MUAI
Integração de fluxos internos
e produção de recursos de alta qualidade.
tombador difusor
picadordesfibrador
colunas dedestilação
biodigestor
conjuntoturbo-gerador
secadorde leito emsuspensão
caldeira
enfardamentode bagaço
aquecedor
cuba
bio-digestor
caminhão
evaporadortrocador
regenerador
sorgo cana
reserva florestal
eletricidade
bagaço úmidocana em
toletes
caldo decana
centrífuga
bagaço
pré-evaporador
biofertilizante(uso interno)
flotador
silos detrincheira
decantador
etanol
levedura
biogas
lodovinho
vinhoto
criaçãoconfinada degado leiteiro
hortaliçase frutais
ferti-irrigação
leitecarnecouro
tanquede lodo
resfriador
termolisadorevaporadore secador
dornas defermentação
fundodas
dornas
recursos hídricos
bomba e filtro
colhedeira
usointerno
usointerno
usointerno
usointerno
água
água
frutas ehortaliças
usointerno
biofertilizante(feedback)
Emergía.
Energia renovável da naturezaR = R0 + R1 + R2 + R3
R0Energia solar
direta: radiação,vento, chuva
Energia degradada
agroecossistema
R1Energia solaracumulada:
biodiversidaderegional
Produto
R2Elementos
químicos darocha e daatmosfera
NMatéria orgânicado solo perdido
por erosão
F=M+SMaterias, bens,
trabalho externo, serviços.Recursos hídricos
cobrados.
N = Energia não-renovávelda natureza
F = Feedback da economia ou retro-alimentação (pode ser não-renovável)
Contribuição total da naturezaI = R + N
Emergia incorporadaY = I + F
Ep = Energia do produto
QEstoques
internos deemergia
interações
R3Recursos
hídricos locais(gratuitos)
$Dinheiro
$Investimento.
Custeio.
$ vendas
Principal ejuros ou lucro
Pagamentos
Índices
Processoagrícola eindustrial
Rrecursos
renováveis
Mmateriais
Sserviços
NPerda de solo
e biota
Massa produzida Mp = 54087 kg
Contribuiçõesda natureza: I
I = R + N
Insumos da economia humana: F
Y = I + F136 x 1013
F = M + S
Energia produzida Ep = 6,2E11 J
Fluxos de emergia expressos em sej/ha/ano
33 x 1013
169 x 1013
28 x 1013
340 x 1013
368 x 1013
537 x 1013
Índices emergéticos
alta eficiência
capta energia
mais econômico
mais sustentável
aceitável
Transformidade: Tr = Y/Ep = 37 000 < < 200 000 sej/J
Taxa de rendimento: EYR = Y/R = 1,46 > 1,21
Taxa de investimento: EIR = F/I =2,17 < 4,72
Renovabilidade: %R = 100(R/Y) = 25% > 10,9
Empregabilidade: (100 +31)/4130 hectares = 0,025 > 0,01
reserva florestalbiodigestor
colhedeira caminhãosorgo cana
silos detrincheira
criação confinadade gado leiteiro
hortaliças efrutais
ferti-irrigação
recursos hídricos
bomba e filtro
leite carne couro
hortaliças e frutas
Sistema agrícola e pecuário e transporte da cana
biofertilizante
cana em
toletes
difusor
picadordesfibrador
conjunto turbo-gerador
secadorde leito emsuspensão
caldeira
enfardamento debagaço
eletricidade
bagaço
bagaço úmido
caldo de cana
Sistema de preparação e extração de caldo e uso do bagaço para gerar eletricidade
biogás
água
uso no sistema
tombador
caldo de cana
colunas dedestilação
aquecedor
cuba
regenerador
centrífuga
pré-evaporador
decantador
etanol
levedura
vinho
resfriador
termolisadorevaporadore secador
dornas de fermentação
lodo do caldo
Sistema de produção de etanol e levedura.
vinhoto
lodo das dornas
biodigestor
evaporadortrocador
regenerador
biofertilizante
flotador
biogas
lodo docaldo
vinhoto
tanquede lodo dornas de
fermentação
fundodas
dornas
Geração de biogás e bio-fertilizante
Diagrama de fluxos de energia. Primeira etapa
Nutrientes
Cana de açúcar,Sorgo e outrosprodutosalimentícios
Estoquesinternos
(aquíferos esolo)
Energiasolar
Nitrogênioatmosférico
Materiais eserviços
Fermentaçãoanaeróbica
Energia degradada
Serviços ambientais Perdas
Reposiçãolenta
Recursos nãorenováveis
Reciclagem
Mini Usina de Álcool Integrada (MUAI)
Áreas florestaispreservadas
Biodiversidaderegional
Sistema devapor e
eletricidade
Gadoconfi-nado
Destilaçãoautônoma
Abatedouroe laticínios
Bio-digestor
Sistemalocal
humano
Eletricidade
Etanol
Leite,carne ecouro
Pressõessociais
Pressõessociais
Recursosrenováveis
Frutas evegetais
$
Rios
Albedo
Metano
Bagaço
Ponteiros dosorgo e folhasda cana
Ponteiros dacana e folhas
sedi-mentos
Mineraisdo solo
$
Empréstimo Pagamentos
Diagrama de fluxos de energia. Segunda etapa
Rios
Cana de açúcar,sorgo, produtosalimentícios eflorestas
Energiasolar
Nitrogênioatmosférico
Materiais eserviços
Energia degradada
Serviços ambientais
Recursos nãorenováveis
Reciclagem
Mini Usina de Álcool Integrada (MUAI)
Sistema com gadoconfinado em
currais
Destilação autônomacom vapor e produção
de eletricidade
Sistemalocal
humano
Etanol e potência elétrica
Leite,carne ecouro
Pressão social
Pressãosocial
Recursosrenováveis
Albedo
$
$
EmpréstimoPagamento
Sedi-mentos
Biodiversi-dade
regional
Mineraisdo solo
Cargas ambientaisAlimentos
Diagrama de fluxos de energia. Terceira etapa
Energiasolar
Materiais eserviços
Energia degradada
Recursos nãorenováveis
Controle e reciclagem
Mini Usina de ÁlcoolIntegrada (MIED)
Sistemalocal
humano
Etanol Potência elétrica Alimentos Leite, carne e couro
Pressão social,Serviços ambientaisPerdas ambientais
Recursosrenováveis
Albedo
Gado
Cana de açúcar,sorgo, produtosalimentícios eflorestas
$
Biodiversi-dade local
Destilaçãocom turbina
elétrica
Rios
Sedi-mentos
Biodiversi-dade
regional
Nitrogênioatmosférico Minerais
do solo
Diagrama de fluxos de energia. Quarta etapa
F
Energia degradada
N= recursos não renováveisda natureza: (destruição derecursos biológicos locais)
Reposição
Mini Usina de ÁlcoolIntegrada (MUAI)
Venda: etanol,potência elétrica,alimentos, leite,carne e couro
Pressão social (sem remuneração)
Recursos renováveisda natureza:R = R1 + R2
Albedo
Erosão
Perdas e resíduos(sem taxas)
S2
Interaçãofotossintética
R2
R1
Materiais e serviços vindosda economia urbana,basicamente de naturezanão renovável
Insumos da natureza: I = R + N
E 1
E 2
E 3
Y = I + F = Emergia incorporada total
R2 = Recursosrenováveis dabiosfera e da região
R1 = Recursorenovável deenergia solar direta
N
Infraestrutura eprocessamento
Controle
E 4Serviços ambientais
(sem subsídios)
Pressão social(valor desconhecido)
F = M + S1
Soma (Ei) = produção total
Benshumanos
Procedimento de análise emergética, passo a passo.
1. Identificação e quantificação dos fluxos;
2. Obtenção do fator de conversão de energia denominado transformidade para cada fluxo;
3. Conversão a fluxos de emergia;
4. Agregação de fluxos;
5. Obtenção de índices;
6. Discussão dos índices obtidos.
Primeira etapa: identificação do sistema e quantificação dos fluxos
Sol, vento,chuva
Reservaflorestal
mineraisdo solo
Áreaagrícola
Pecuária
Área debrejos
biomassa,aquíferos
pessoas,infra-
estrutura
$
beneficia-mento
N2atmos.
insumosurbanos
serviçospúblicos
biomassa,aquíferos
$
$
$
$
madeira
produtosagrícolas
produtospecuários
biomassa
Figura 2. A agricultura ecossistêmica, preservando funções ambientais e sociais
água
águalimpa
Segunda etapa: Considerar o custo energético
Energiaexterna
materiaistrabalho
produto
retro alimentação
Figura 4. Diagrama da conversão de energia em produto
novosrecursos
processoprodutivo
região sistema maior
Tr = emergia solarmassa
sejkg
=Tr = emergia solarenergia
sejJ
=
Transformidade = energia solar necessáriaproduto que sai do subsistema
Segunda etapa: conversão dos fluxos
Energiasolar direta produto (s)
Figura 5. Diagrama para explicar a conversão de fluxos de energia emassa de diversas qualidades em fluxos de emergia (sej/área/tempo),passíveis de serem agregados conforme sua origem e renovabilidade
estoquesinternos
QJ1
Agroecossistema
J2
J3 J4 J5
Tr2
Tr3Tr4 Tr5
Recursos energéticos externosem ordem de intensidade (erenovabilidade)e2
e1
e3 e4 e5
EP
=Emergia usada
Energia produzida = Ji Tri
Ep
e i
Ep
processo de interação
Figura 6. Procedimento de cálculo de um fluxo emergético:
(1) Indicar o valor do fluxo nas suas unidades comuns: J2(2) Converter para unidades SI (J, kg): J2 (SI)(3) Multiplicar pela transformidade correspondente (Tr2)(4) Expressa-se o valor do fluxo em emergia (e2).
fonte deenergia
J2
e2
Tr 2
energia / área / tempo
emergia / energiatransformidade
emergia / área / tempo
fluxo
fluxo
Terceira etapa: agregação
Energia do produtoR1
N
estoqueinterno
Q
Ep
Figura 7. Diagrama resumido
interações
R2$
$ vendas
MS
Quarta etapa: índices
Densidade emergética: Y
Transformidade: Tr = Y/Ep
Taxa de rendimento emergético: EYR = Y/R
Taxa de investimento emergético: EIR = F/I
Porcentagem da renovabilidade: %R = 100(R/Y)