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)