Palestra SIMTEC Charles Junho 2012

Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Avaliação de Diferentes Rotas Tecnológicas para

Produção de Etanol

SIMTEC 2012

Antonio Bonomi(Charles Dayan F. de Jesus)

CTBE – CNPEM (Campinas – SP)

Piracicaba, junho 2012

CNPEM – Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais

Ciência básica e Inovação: Iniciativas Ciência básica e Inovação: Iniciativas fundamentais parafundamentais paramanter a liderança brasileira no ciclo manter a liderança brasileira no ciclo cana-de-açúcar / etanol.cana-de-açúcar / etanol.

CTBE – Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol

CTBE – Programas de Pesquisa

Bioetanol

Ciência Básica Industrial:

Planta Piloto

Agrícola:Mec. Baixo Impacto

AvaliaçãoTecnológica

Sustentabilidade

Como mensurar o grau de desenvolvimento de uma nova

tecnologia e compará-la com as que já estão estabelecidas?

Programa de Avaliação Tecnológica:Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar

Objetivos

• Avaliar diferentes rotas e tecnologias de Biorrefinaria • Avaliar estágio de desenvolvimento de novas tecnologias • Otimizar conceitos e operações na Biorrefinaria

Plataforma de Simulação

•Cana-de-açúcar

•Produção de etanol, outros

•Uso de etanol, outros

Dados de Processo

Modelos Matemáticos

Impactos de Sustentabilidade

• Econômico• Ambiental

• Social

BVC – Biorrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar

Etapa Agrícola

Etapa IndustrialDestilaria autônoma

Usina anexaProcesso integrado

1G2G

Processo 2G independente

Uso de sorgo na entressafra

Rota sucroquímica

(butanol)

Aspen Plus® Inventários econômico, social e ambiental

ü Dados de insumos e matéria

prima

ü Dados de produção (etanol,

eletricidade, açúcar, etc)

ü Dados de subprodutos e

resíduos

ü Dados de emissões

ü Dados para cálculo de

Investimento

ü Outras informações

Componentes

Preparo e extração do caldo

Tratamento do caldo e concentração

Fermentação

...

Destilação e desidratação...Dados de entrada

(usuário)

Fluxograma de processo

Relatórios de saída

Cenários avaliados

Etapas de processo (depende dos cenários)

Dados das correntes de entrada

Dados de operação dos equipamentos

Cogeração

.. .

Etapa de Distribuição e Uso

Em Construção

Em Construção

Produção de etanol de 1a geração no Brasil

Produção de etanol, açúcar e eletricidade a partir da cana-de-açúcar (destilaria anexa)

Parâmetros principais – 1GParâmetro ValorOperação da planta – cana processada (TC/h) 500

– dias de safra (dias/ano) 167

Qualidade da cana – teor de fibras (%) 13

– teor de ART (%) 15,3 – palha produzida no campo (kg/TC, base seca) 140

Etanol anidro (°INPM) 99,6

Etanol hidratado (°INPM) 93,0 Especificação do açúcar VVHP – pureza – umidade (%)

99,60,1

Dados de investimento 1G (valores de 2010):

Destilaria autônoma: investimento total R$ 320 milhões

Destilaria anexa: investimento total R$ 360 milhões 2,000,000 TC/ano Planta padrão

Parâmetro ValorCusto da cana-de-açúcar (R$/TC)a 40,91

Custo da palha (R$/t)b 30,00

Preço da eletricidade (R$/MWh) c 149,33

Preço do etanol anidro (R$/L) a 1,05

Preço do etanol hidratado (R$/L) a 0,95

Preço do açúcar (R$/kg) a 0,75

Custos de matéria-prima e preços dos produtos

a Preço médio entre 2001 a 2010 (São Paulo) atualizados para 2010b Estimado por especialistas do CTBEc Preço médio dos leilões de energia renovável (2004 a 2010), atualizados para 2010

Simulação

• Destilaria autônoma• Aspen Plus

HIERARCHY

COGER

HIERARCHY

DESID

HIERARCHY

PREP-EXT

TO-COGER

PALHA

AEHC

AEAC

CALDO

BAGACIL

CANA

BAGACO EE-EXCW

HIERARCHY

CENTRIF

HIERARCHY

EME

HIERARCHY

TRAT-ET

MOSTO

VINHO-D

SOL-ALC

GASES-F

VINHOLEV

CO2

PEDECUBA

C-22

C-CLARIF

H2SO4

PURGA

ABSFERMENT

FUSEL

OLEOF

FLEGMA-V

FLEGMA-L

SA-PM

TOPO-B

FLEGMACA

FUNDO-A1

TOPO-A

VINHO-AQ

VINHACA

TOPOB

GASES2

ALCOOL2A

GASES

COL-B

COL-A

COL-D

COL-A1

• Usina com destilaria anexa• Aspen Plus

Simulação

Validação

Definição do Fluxograma

Balanço de Massa & Energia no

Excel

Simulação no Aspen Plus

Comparação dos resultados

Ajustes na simulação no

Aspen Plus

Novos cálculos no Aspen PlusAvaliação final

Dados de Processo

Relatório de avaliação

Resultados Preliminares

Produto Unidade Boletim Aspen Desvio

Açúcar t/h 64,44 66,15 2,6%

Etanol hidratado m3/h 15,46 15,59 0,88%

Etanol anidro m3/h 25,03 24,88 -0,63%

Rendimento em termos de ART Boletim Aspen Desvio

Total 89,9% 91,3% 1,5%

Fábrica de açúcar 91,5% 93,8% 2,5%

Destilaria 86,6% 87,1% 0,62%

Parâmetro Caso “base” Caso otimizado

Pressão das caldeiras 22 bar 90 bar

Bagaço excedente Vendido Queimado

Venda de energia elétrica Não Sim

Acionamentos Mecânicos Eletrificados

Uso de 50% da palha Não Sim

Resultados -1G Básica X Otimizada

Resultados -1G Básica X Otimizada

Produção de etanol de 2a geração

Diagrama de blocos – produção integrada de etanol de 1a e 2a geração

• Destilaria autônoma integrada à 2G• Aspen Plus

Simulação

Simulação 1G2G - convergência

Cálculo da demanda de vapor

do processo

Cálculo da demanda de vapor

do processo

Cálculo do ML disponível para

2G

Cálculo do ML disponível para

2G

Cálculo da energia gerada

Cálculo da energia gerada

Cálculos iterativos até que energia gerada = demanda do processo

Processo 1G

Cogeração

Processo 2GConcentração, Fermentação e

Purificação

Açúcares

Sólidos residuais

Bagaço e palha excedente

Vapor

Bagaço

Palha

Etanol

Parâmetro ValorBagaço/palha da cana – teor de celulose (base seca) (%) 40,7

Bagaço/palha da cana – teor de hemicelulose (base seca) (%) 26,5

Bagaço/palha da cana – teor de lignina (base seca) (%) 21,9

Explosão a vapor – hidrólise da hemicelulose (%) 70

– hidrólise da celulose (%) 2

Hidrólise enzimática – conversão da celulose (%) 70

– teor de sólidos 15

Biodigestão das pentoses – remoção de DQO (%) 70

Fermentação das pentoses – conversão a etanol (%) 80

Investimento - planta 2G: R$ 133 milhões – 462,451(1) t bagaço/ano (R$ 575/t bagaço seco) Biodigestão das pentoses (2): R$ 22 milhões para o processamento de 76.000 Nm³ biogás/dia

Custo de enzimas: R$ 0,08/L etanol celulósico (estimativa CTBE)

(1) Bioetanol combustível: uma oportunidade para o Brasil, CGEE, 2009(2) Dedini – unidade de biodigestão da vinhaça

Parâmetros principais 2G

Resultados -1G 2G

1. 1G Otimizada 2. 1G + 2G, biodigestão pentoses 3. 1G + 2G, fermentação pentoses

Comparação entre 1G, 1G2G integrados e 2G independente

1G: otimizada com maximização da eletricidade

1G2G: processo integrado com hidrólise e fermentação das pentoses

1G-LM: unidade 1G produzindo excedente de

material lignocelulósico

2G: unidade independente 2G com fermentação das pentoses

0%

5%

10%

15%

20%

25%

-100% -50% 0% 50% 100%

TIR

(po

r a

no

)

1G2G

Electricity Investment Sugarcane

Enzyme Ethanol Trash

Análise de sensibilidade

Variação nos preços

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TIR

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2G

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TIR

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no

)

1G2G

Eletricidade Investimento Cana-de-açúcar

Enzima Etanol Palha

Impactos ambientais relativos da produção de etanol usando o método CML

ADP: depleção abiótica; AP: acidificação; EP: eutrofização; GWP: potencial de aquecimento global; ODP: depleção da camada de ozônio; HTP: toxicidade humana; FWAET: toxicidade água doce; MAET: toxicidade água marinha; TET: toxicidade

terrestre; POP: potencial de oxidação fotoquímica

Pontos a serem guardados sobre a BVC:

• A BVC já é capaz de ser utilizada para analisar diferentes cenários de produção de

etanol de primeira e segunda geração;

• As análises serão aprimoradas com o levantamento de dados de investimento mais

precisos;

• É possível a análise de outros cenários, por exemplo, a incorporação do sorgo para

prolongar a operação da usina ou novos pré-tratamentos no processo de produção

de etanol de segunda geração;

ConclusõesPor que o Brasil é um ambiente favorável à inserção da

produção de etanol de 2a geração?• O País tem uma experiência bem sucedida na produção de etanol;

• Flexibilidade da biorrefinaria de cana-de-açúcar;

• Disponibilidade do material lignocelulósico na planta;

• Tecnologias eficientes podem tornar a produção de etanol de 2a geração mais rentável

que a eletricidade (necessidade de reduzir impactos ambientais);

• Possibilidade da integração da produção de etanol de 1a e 2a geração – menor

investimento;

• Possibilidade de produzir etanol mantendo a produção de açúcar (kg açúcar/TC) com

integração da segunda geração com uma fábrica voltada para a produção de açúcar;

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([email protected])

Equipe:

Antonio Bonomi

Charles D.F. Jesus

Henrique C. J. Franco

Marcelo P. Cunha

Marina O.S. Dias

Mateus F. Chagas

Otavio Cavalett

Paulo Eduardo Mantelatto

Rubens Maciel Filho

Tassia L. Junqueira

Terezinha F. Cardoso

Novos integrantes:

Edvaldo R. Morais

Elmer C. Rivera

Isabelle L. M. Sampaio

Marcelo Zaiat

Nathalie Sanghikian

Mylene C. A. F. Rezende

Vera L. R. Gouveia

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