Alternativas tecnológicas para o uso de bagaço e palha de cana Gráfico de sensibilidade para 10%...
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Alternativas tecnológicas para o uso de bagaço e palha de cana
Fernando JG Landgraf,
Diretor de Inovação do IPT
SIMTEC 2010
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Disponibilidade de bagaço e palha no Brasil
• Em 2009, foram colhidos 650 Mt de cana
• Cada tonelada de cana
– 150 kg de açúcares
– 140 kg de bagaço
– 70 kg de palha no caule
– 70 kg de palha na ponteira
– 570 kg água
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Valor do Potencial energético da biomassa
Caso do bagaço de cana:
$ = Mcana . fbagaço e palha . PCS . fconversao . η . R$ / MWh
$ = 650 Mt/ano .0,14 . 18GJ/t . 0,277MWh/GJ . 0,4 . R$ 130/MWh
= R$ 24 Bilhões em 2009
• $ = valor anual da energia elétrica que poderia ser produzida
• Mcana = produção anual de cana no Brasil
• fbagaço e palha = fração de bagaço e palha disponível para uso: 140kg/tonelada de cana, base seca.
• PCS = Poder Calorífico Superior
• fconversao = fator de conversão MWh/GJ
• η = rendimento energético de um gaseificador acoplado a um gerador de energia elétrica
• R$ / MWh = valor da EE vendida pela usina.
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• Mas uma usina de etanol e açúcar pode fazer muito mais que apenas energia:
• É a Biorefinaria de Cana
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Comparando 4 alternativas de uso do bagaço e palha
Estudo feito em 2007, pelo IPT + CTC, apresentado pelo nosso colega Bonomi, hoje no CTBE:
Cálculo do valor dos produtos, por tonelada de cana
1. Rota Convencional
2. Rota Convencional de otimização energética (para gerar EE com rendimento de 30%)
3. Rota bioquímica: hidrólise enzimática
4. Rota termo-química: gaseificação seguida de fabricação de metanol a partir do gás.
Não é custo, é valor de mercado dos produtos 6
Resumindo a comparação
Valor R$/t TEP/t
convencional 86,50 0,048
Otimização energética 110,00 0,11
Hidrólise enzimática 163,00 0,09
Gaseificação e prod. metanol 155,00 0,08
Números obtidos com os valores de 2007
Nos dois últimos casos,
Ainda depende de avaliar a viabilidade técnica,
o custo do investimento,
O custo operacional.
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Estamos na fronteira da tecnologia
• “Por causa da diversidade de opções tecnológicas e da variedade de biomassas, ainda não existe um consenso sobre a combinação mais adequada.”
• “Não podemos identificar claramente um projeto dominante (no uso de biomassa) ... portanto o governo deve encorajar a variedade tecnológica.” (Piterou et al., 2008)
– Variedade Apostar em várias tecnologias
– Variedade Apostar em flexibilidade
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A alternativa “hidrólise enzimática”
• Hidrólise significa reação com água.
• Água se dissocia em H+ e OH-
• Esses dois íons “atacam” uma molécula grande subdividindo-a
• Enzimas são proteínas que aceleram esse processo
Fibra de celulose (verde)
Recoberta com hemicelulose
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Kg Kg litros
hidrolise fermentação
celulose 200 glicose 209 etanol 123
hemicelulose 158
lignina 100 xilose
proteinas 17 arabinose 126 etanol 63
cinza 25
agua 500 total 186
Potencial de conversão do Bagaço em etanol
Rossell, 2006
hidrólise
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Desafios e estratégias de P&D para o sucesso do pré-tratamento
Redução da formação de inibidores para as enzimas ou
microorganismos da fermentação (p.ex. condições mais brandas)
Deslignificação do bagaço - É importante?
Pré-tratamento biológico?
Maximizar acessibilidade do bagaço à ação enzimática
Minimizar a perda de açúcares
Maximizar a obtenção de outros subprodutos de valor agregado (p.ex.
lignina)
Minimizar o uso de energia, produtos químicos e equipamentos
Processo escalonável para produção industrial.
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A alternativa gaseificação
• Rota bioquímica = hidrólise
• Rota termoquímica = gaseificação
CO + H2+ CH4 + CO2 + H2O
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O que é a gaseificação de biomassa
É queimar o bagaço e a palha com pouco oxigênio,
De maneira a obter um gás
contendo principalmente CO + H2.
Esse gás é reativo,
– Pode ser queimado numa turbina para gerar EE
– Pode ser reagido e transformar-se em
• Biocombustíveis: biodiesel, metanol, etc
• Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio.
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Como queimar controlada e rapidamente
Se for líquido ou pó fino:
Num maçarico confinado
Se for sólido:
Numa cama de areia
Fluxo
de
arraste
Leito fluidizado(modelo Siemens) 18
Duas principais rotas BTL para o Centro de gaseificação
Biomassa
Pretratamento Gaseificação Tratamento gases
•Filtragem a
quente
•Reforma
metano
•Recuperação
de calor
•Compressão
•Recuperação
calor
•Filtragem a
frio
•Shift CO
•Remoção
gases
ácidos
Peletização
Torrefação
Pirólise
rápida
Gaseificador leito fluidizado
circulante: ~100 MW (20 t/h)
Gaseificador fluxo
arraste: > 100 MW
Gás de
síntese
Rota leito
circulante
Rota fluxo
de arraste
O2
O2
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Projeto Gaseificação
lixo
Restos
florestais
cavacos
Resíduos
petroquímicos
Pesquisas
Básicas
Pré-Processo
Automação,
Outros proc,
Etc...
Gaseificação
alimentaçãotorrefaçãoseparaçãopirólise
Pesquisas Básicas - Processo
Bagaço,
palha de
cana e
outras
culturas
energéticas
Entradas
Energia
Elétrica
e
FT/Diesel
Saídas
Pré-Processo(peletização ou pirólise?)
ProcessoGaseificação(liq ou solid?)
Pós-Processo(motor a gas, lavagem para FT)
DME
H2
Fertilizantes
GNS
Outros Gases/
Metanol
Pesquisas
Básicas
Pós-ProcessoPLANTA PILOTO
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GaseificaçãoExistem dezenas de plantas piloto no mundo: Brasil está atrasado!
Varnamo:
Operação 1993-1999
• 6 MWe + 9 MWt (aquecimento)
• > 8.500 hs gaseificação pressurizada
• > 3.600 hs operação integrada
Bioliq
Karlsruhe (Alemanha)
Pirólise rápida – 0,5t/h biomassa21
A planta Beta da Choren, Alemanha
• Produção: 18M litros de biodiesel /ano
• 65,000 t madeira/ano
• Investimento: €100 M
• 1.5 km de tubulações,
• 57 km cabos elétricos
• 60 bombas
• parceiros: Daimler e Volkwagen
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Situação atual (2010)
• Não há tecnologia comercial
– daí tantas plantas piloto
• É sensível à matéria prima
– é nossa oportunidade
• O desafio é baixar o custo do investimento
– Falam de U$ 3/ W, teria que ser U$ 1,2 / W
• É sensível à escala
– Pode ser que exija juntar biomassa de 5 usinas
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2. Pré-viabilidade econômica do processo Leito Fluidizado
Planta de gaseificação para geração de energia elétrica com CC
Base: usina de 2Mt cana/ano
Resultados encontrados: para as condições estabelecidas,
Com Investimento de R$ 199M
o preço de venda da energia elétrica = R$ 134,00 / MWh,
(abaixo do preço de mercado: viável )
Potência gerada: 67MW
Energia vendida/ano: 473.000 MWh
Ou seja, US$110M/ 67MW = U$1,7/W
(número mais frequentemente citado é U$ 3 / W)
O gráfico abaixo mostra a análise de sensibilidade das principais
variáveis analisadas. 26
Gráfico de sensibilidade para 10% variação
131,97
129,16
127,32
126,13
135,94
138,74
140,58
143,51
126 128 130 132 134 136 138 140 142 144
custo fixo anual
custo variável
Investimento
rendimento
R$/MWh
inviabilidade econômica
Rendimento energético assumido: 40%
Investimento assumido: R$ 199M
Custo variável assumido: R$40,71 por MWh
Custo fixo anual assumido: R$7.978.947,97
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O projeto de um Centro de Desenvolvimento da Gaseificação de Biomassa - CDGB
• CTC participou de vários projetos de avaliação de viabilidade
• IPT estuda gaseificação há 20 anos
• Quatro empresas aceitam investir mais de R$1M cada num consórcio, contando com apoio federal e estadual para estabelecer o CDGB
• CTBE juntou-se suas competências ao grupo
• Projeto está em avaliação na FINEP e BNDES
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