Biomassa para energia

Biomassa para energia

(Parte 1 de 3)

BIOMASSA para energia

Universidade Estadual de Campinas

Reitor José Tadeu Jorge

Coordenador Geral da Universidade Fernando Ferreira Costa

Conselho Editorial

Presidente Paulo Franchetti

Alcir Pécora – Arley Ramos Moreno

Eduardo Delgado Assad – José A. R. Gontijo

José Roberto Zan – Marcelo Knobel Sedi Hirano – Yaro Burian Junior

Luís Augusto Barbosa Cortez Electo Eduardo Silva Lora Edgardo Olivares Gómez (organização)

BIOMASSA para energia

ficha catalográfica elaborada pelo sistema de bibliotecas da unicamp diretoria de tratamento da informação

B521 Biomassa para energia/ organização: Luís Augusto Barbosa Cortez, Electo

Eduardo Silva Lora, Edgardo Olivares Gómez. – Campinas, SP: Editora da Unicamp, 2008.

1. Biomassa. 2. Energia da biomassa. 3. Álcool como combustível. I. Cortez, Luís Augusto Barbosa. I. Lora, Electo Silva. II. Olivares Gómez, Edgardo. IV. Título.

CDD 660.63 ISBN 978-85-268-0783-9 662.669

Índices para catálogo sistemático:

1. Biomassa 660.63 2. Energia da biomassa 660.63 3. Álcool como combustível 662.669

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PREFÁCIO1
COLET A E PRÉ- TRA TAMENT O D A BIOMASSA13
1 — BIOMASSA NO BRASIL E NO MUNDO15
1.1 Introdução15
1.2 Fontes da biomassa18
1.3 Biomassa no Brasil19
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS28
2 — CARACTERIZAÇÃO D A BIOMASSA31
2.1 Introdução31
2.2 Propriedades físico-geométricas31
2.3 Critérios de defi nição de tamanho39
2.4 Composição química elementar e imediata de combustíveis de biomassa47
2.5 Poder calorífi co e características de fusão das cinzas51
2.6 O bagaço da cana-de-açúcar: estudo de caso5
2.7 Conclusões59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS60
3 — COLHEITA E RECUPERAÇÃO DA BIOMASSA63
3.1 Colheita da cana-de-açúcar63
3.2 Colheita da madeira74
3.3 Consumo de madeira de refl orestamento no Brasil76
3.4 Balanço ener gético86
3.5 Resíduos fl orestais87
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS90
4 — FL OREST AS ENERGÉTICAS NO BRASIL93
4.1 Introdução93
4.2 Florestas energéticas — Conceito e história94
4.3 Principais espécies95
4.5 Manejo visando à produção de biomassa energética101
4.6 Aspetos socioambientais102
4.7 Principais grupos e linhas de pesquisa na área de biomassa e energia105
4.8 Considerações fi nais108
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS109
5 — PRODUÇÃO DE ETANOL EM REGIÕES SEMI-ÁRIDAS113
5.1 Introdução113
5.2 Outras matérias-primas para a produção de etanol113
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS130
6 — BALANÇO DE MASSA E ENERGIA NOS PROCESSOS DE COMBUSTÃO133
6.1 Cálculo da quantidade teórica de ar necessária para a combustão133
para a determinação do excesso de ar136
6.3 Equações fundamentais da combustão138
6.4 Equações para o cálculo de ∝139
6.5 Verifi cação de erros nas medições141
de gases utilizando-se o Orsat144
6.7 Cálculo do volume dos produtos da combustão145
6.8 Determinação da entalpia dos produtos da combustão148
6.9 Exemplo de cálculo149
6.10 Comprovação dos resultados da análise dos gases150
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS153

4.4 Aspectos técnicos .............................................................................................................................. .......... 9 6.2 Coefi ciente de excesso de ar. Análise de gases e expressões 6.6 Aspectos a serem considerados durante a análise

FORNALHAS PARA A COMBUSTÃO DE BIOMASSA155
7.1 Classifi cação das fornalhas para a combustão de biomassa155
7.2 Aspectos de combustão da biomassa em fornalhas industriais156
7.3 Características técnicas das fornalhas158
projeto dos diferentes tipos de fornalhas a biomassa159
7.5 Efi ciência e balanço térmico170
7.6 Cálculo das perdas de calor173
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS178

7 — CLASSIFICAÇÃO E BALANÇO TÉRMICO DAS 7.4 Descrição, características técnicas e parâmetros de

AVALIAÇÃO DE CALDEIRAS P ARA BIOMASSA179
8.1 Esquema funcional de uma caldeira de vapor a biomassa179
8.2 Caldeiras para bagaço: classifi cação e parâmetros de operação180

8 — CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS E 8.3 Características construtivas das superfícies de aquecimento

e do sistema de alimentação e queima do bagaço189
8.5 Metodologia e instrumentação para a avaliação de caldeiras224
8.6 Exemplo de resultados de avaliação de caldeiras industriais231
8.7 Conclusões238
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS239
9 — GASEIFICAÇÃO241
9.1 Introdução241
9.2 História243
9.3 Tipos de gasei fi cadores246
9.4 Fundamentos teóricos da gasei fi cação258
em leito fi xo convencional261
9.6 Gaseifi cadores de topo aberto para biomassa polidispersa269
9.7 Gaseifi cadores comerciais de leito fi xo para biomassa273
9.8 Gaseifi cadores de leito fl uidizado277
de biomassa em leito fl uidizado no Brasil311
preliminar de gaseifi cadores de leito fl uidizado para biomassa324
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS327
10 — PIRÓLISE E TORREFAÇÃO DE BIOMASSA3
10.1 Processos físico-químicos da pirólise de biomassa3
10.2 Infl uência da matéria-prima e dos parâmetros do processo334
10.3 Tecnologias para a pirólise de biomassa337
10.4 Torrefação de biomassa345
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS351

8.4 Caldeiras e fornos para lenha e outros tipos de biomassa ...........................................216 9.5 Instalações experimentais de gaseifi cadores 9.9 Algumas das principais pesquisas em gaseifi cação 9.10 Metodologia de cálculo para o dimensionamento

PARA A OBTENÇÃO DE BIOÓLEO353
1.1 Introdução353
1.2 O processo de pirólise de materiais lignocelulósicos357
1.3 Transformações químicas dos componentes da biomassa362
1.4 Fundamentos da pirólise dos materiais lignocelulósicos373
1.5 Fundamentos da pirólise da celulose, hemicelulose e lignina377
1.6 Distribuição e características dos produtos de pirólise380
para produção de bioóleo389
1.8 Reatores para a pirólise rápida de materiais lignocelulósicos392
nos últimos 10 a 15 anos398
1.10 Aspectos econômicos da produção do bioóleo410
1.12 Tendências e desafi os para a pirólise rápida no mundo414
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS416
12 — LIQUEF AÇÃO DE BIOMASSAS419
12.1 Introdução419
12.2 Breve histórico420
12.3 Hidrogenólise com CO/base ou formiato421
12.4 Hidrogenação catalítica424
12.5 Solvólise e extração supercrítica425
12.6 Hidrólise426
12.7 Qualidade e refi no dos óleos produzidos na liquefação de biomassas427
12.8 Separação dos constituintes da biomassa e liquefação da lignina429
12.9 Conclusões431
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS433
13 — FERMENTAÇÃO, HIDRÓLISE E DESTILAÇÃO435
13.1 Introdução435
13.2 Matérias-primas e fermentação435
13.3 Destilação alcoólica450
13.4 Hidrólise de biomassa463
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS473
14 — A PRODUÇÃO DE ETANOL EM MICRO E MINIDESTILARIAS475
14.1 Introdução475
14.2 Justi fi cativa476
14.3 Tecnologia477
14.4 Estudo de caso480
14.5 Análise emergética da Fazenda Jardim482
14.6 Considerações fi nais488
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS490
15 — BIODIGESTÃO DE EFL UENTES493
15.1 Introdução493
15.2 Caracterização dos resíduos494
15.3 O processo de biodigestão503
15.4 Aplicações dos produtos da biodigestão521
15.5 A experiência de biodigestão anaeróbia no Brasil526
15.6 Tendências528
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS529
TECNOLOGIA E ANÁLISE DO CICLO DE VIDA531
16.1 Importância e histórico do uso de diesel no Brasil531
de álcool de cana e a de biodiesel543
16.4 O uso do biodiesel e suas vantagens ambientais545
16.5 Análise do Ciclo de Vida — Balanço energético549
16.6 Principais impactos sobre a atmosfera incluídos na ACV550
(dendê) nas condições de Brasil e Colômbia561
16.8 Consumo ener gético na etapa agrícola564
16.9 Consumo energético na extração de óleo565
16.10 Consumo energético na produção do biodiesel566
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS569

16.2 Biodiesel: conceito e processo de produção ......................................................................538 16.3 Possibilidades da integração entre a produção 16.7 Estudo de caso na produção do biodiesel de óleo de palma

A P ARTIR D A BIOMASSA573
17.1 Introdução573
17.2 Experiências e perspectivas em nível mundial575
17.3 Tecnologias de produção de eletricidade a partir da biomassa584
17.4 A produção de eletricidade a partir da biomassa no Brasil593
17.5 Comentários fi nais602
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS604

17 — SISTEMAS DE PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE

CÉL ULAS A COMBUSTÍVEL , MICRO TURBINAS609
18.1 Introdução609
18.2 Motores stirling610
18.3 Microturbinas619
18.4 Células a combustível623
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS632

18 — OUTRAS TECNOLOGIAS PARA A GERAÇÃO DE ELETRICIDADE EM PEQUENA ESCALA A PARTIR DA BIOMASSA: MOTOR STIRLING,

PARA FINS ENERGÉTICOS: O CASO DO ETANOL633
19.1 Introdução633
19.2 Benefícios ambientais locais: redução da poluição637
19.3 Herbicidas, pesticidas e fertilizantes638
19.4 Proteção do solo e de águas; refl orestamento640
19.5 Geração, qualidade de empregos e investimento640
19.6 Custos de produção, competitividade641
19.7 Conclusões642
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS643

19 — SUSTENTABILIDADE NA PRODUÇÃO DE BIOMASSA

TECNOLOGIAS PARA O CONTROLE DE EMISSÕES645
20.2 Emissões produto da queima da cana antes da colheita648
da lenha e do bagaço de cana648
20.4 Separadores ciclônicos654
ciclônicos em caldeiras a bagaço657
20.6 Lavadores de gás657
caldeiras a bagaço659
gás para o controle de material particulado em caldeiras a bagaço660
durante a queima de bagaço de cana numa usina de açúcar667
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS671
21 — BIOMASSA E O MECANISMO DE DESENVOLVIMENTO LIMPO673
21.1 Introdução673
21.2 Histórico — U NFCCC674
21.3 O que é mecanismo de desenvolvimento limpo676
21.4 MDL e biomassa683
21.5 Como MDL afeta o fazer biomassa685
21.6 Estudo de casos687
21.7 Comentários fi nais695
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS697

20.1 Introdução .............................................................................................................................. .................... 645 20.3 Emissões resultantes da queima industrial 20.5 Experiências de utilização de separadores 20.7 Experiências de utilização de lavadores de gás em 20.8 Estudo de caso da aplicação de sistemas combinados multiciclone/lavador de gás e sistemas simples com lavadores de 20.9 Estudo de caso da dispersão dos óxidos de nitrogênio emitidos

DA BIOMASSA DE CANA-DE-AÇÚCAR699
2.1 Introdução699
2.2 O modelo básico de insumo-produto700
2.3 O modelo de insumo-produto com tecnologias mistas707
2.4 Base de dados712
2.5 Indicadores socioeconômicos716
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS729
23 — EPÍL OGO731
LIST A DE AUT ORES733

Como a fênix, renasce de suas próprias cinzas a energia da biomassa. Há menos de 50 anos, mais de 50% da energia consumida no Brasil provinha da madeira e esta não era uma contingência peculiar nossa. Mais de metade da população do mundo se valia desse mesmo energético predominantemente. O uso da lenha foi até recentemente considerado um indício de atraso, não apenas econômico ou tecnológico, mas até quanto ao nível de civilização de uma nação.

Pois bem, a história está às portas de uma revolução conceitual. E isso se deve principalmente a dois fatores. Em primeiro lugar, começa a se fortalecer o conceito de que o uso do combustível fóssil é uma prática meramente extrati vista, de exploração primitiva da natureza, não muito diferente daquela com que os primatas colhem seu alimento de árvores. Enquanto isso, hoje, o aproveitamento da biomassa é associado a estágios mais elevados de produção, envolvendo sofi sticadas técnicas agrícolas e o processamento físico e químico dos insumos.

A segunda razão para essa mudança de percepção é a crescente conscientização de que o uso de combustíveis fósseis, e o conseqüente aumento da temperatura média do globo devido ao efeito estufa, provocará a médio, se não a curto prazo, perturbações climáticas catastrófi cas.

Não é, portanto, de estranhar que não apenas venha a comunidade acadêmica brasileira, tanto quanto a internacional, recuperar e revisar tecnologias já desenvolvidas e ainda propor inovações signifi cativas para o aproveitamento da biomassa na produção de energéticos.

Portanto, o livro Biomassa para energia, editado por três dos mais renomados es pecialistas brasileiros, Luís Cortez, Electo Lora e Edgardo Gómez, é extremamente oportuno não apenas por atender a uma demanda crescente no setor, como também por sua abrangência e indiscutível competência. Esta é uma contribuição que servirá permanentemente ao profi ssional, mas também a estudantes e acadêmicos com interesse na área de energia.

Rogério Cezar de Cerqueira Leite

CAPÍTULO 1 BIOMASSA NO BRASIL E NO MUNDO

Luís Augusto Barbosa Cortez

Electo Eduardo Silva Lora Juan Arturo Castañeda Ayarza

1.1 Introdução

Apenas há pouco mais de 100 anos a biomassa começou a perder cada vez mais sua liderança histórica para a energia do carvão, e depois, com o crescimento contínuo do petróleo e do gás natural, a utilização da biomassa foi reduzida praticamente às residências particulares em regiões agrícolas.

Porém hoje, em maior ou menor intensidade, a maioria dos países, sejam eles desenvolvidos ou não, está promovendo ações para que as energias alternativas renováveis tenham participação signifi cativa em suas matrizes energéticas. A motivação para essa mudança de postura é a necessidade de redução do uso de derivados do petróleo e, conseqüentemente, a dependência energética desses países em relação aos países exportadores de petróleo. Além disso, a redução no consumo dos derivados do petróleo também diminui a emissão de gases promotores do efeito estufa.

Analisando as tecnologias das fontes energéticas alternativas renováveis, já sufi cientemente maduras para serem empregadas comercialmente, somente a biomassa, utilizada em processos modernos com elevada efi ciência tecnológica, possui a fl exibilidade de suprir energéticos tanto para a produção de energia elétrica quanto para mover o setor de transportes.

A biomassa tem origem em resíduos sólidos urbanos — animais, vegetais, industriais e fl orestais — e, voltada para fi ns energéticos, abrange a utilização desses vários resíduos para a geração de fontes alternativas de energia. Apresenta diferentes tecnologias para o processamento e transformação de energia, mas todas as tecnologias de biomassa atualmente usadas no mundo possuem dois problemas cruciais: o custo da biomassa e a efi ciência energética de sua cadeia produtiva.

A Agência Internacional de Energia (AIE) calcula que dentro de aproximadamente 20 anos cerca de 30% do total da energia consumida pela humanidade será proveniente das fontes renováveis, que hoje representam 14% da energia produzida no mundo, em que

16 Biomassa para energia a biomassa tem 1,4% na participação da oferta (Ministério de Minas e Energia — BEN, 2004).

A Tabela 1.1 mostra a produção de energia nas principais regiões no mundo até o ano 2003. O petróleo continua sendo a principal fonte energética em produção e consumo no mundo inteiro (26 389,37 x 106 bep). As principais regiões produtoras de energia da biomassa são Ásia e Austrália, América Latina e Caribe, que também são as regiões com o maior potencial para incrementar o uso dessa fonte renovável. As regiões como Europa e Oriente Médio têm a menor disponibilidade de biomassa e, conseqüentemente, a produção de energia com essa fonte é a mais baixa no mundo.

Tabela 1.1 — Produção de energia das principais regiões no mundo (106 bep)

Região Petróleo

Gás NaturalCarvão MineralEletricidade (hidráulica)

Biomassa Total

A produção de energia da biomassa nessas regiões, de 1999 até 2003, é apresentada na Tabela 1.2, que mostra um incremento do uso da biomassa como fonte energética, acompanhada em paralelo pelo desenvolvimento da tecnologia e pela redução dos custos, motivados pela alta dependência de petróleo e necessidade de redução dos gases de efeito estufa.

Tabela 1.2 — Produção de energia da biomassa nas principais regiões do mundo (106 bep)

Anos África

América do NorteÁsia e AustráliaEuropa OcidentalAmérica LatinaOriente MédioRússia — Europa Oriental

Total

Biomassa no Brasil e no mundo 17

A Tabela 1.2 mostra a América Latina como a região que mais incrementou a produção de energia com a biomassa, em média 2,28% por ano. O crescimento médio mundial é 0,57% por ano.

A principal fonte para gerar energia da biomassa está nos resíduos. Os resíduos gerados em todo o mundo são recurso de grande potencial para a obtenção de energia apenas sob uma adequada exploração.

Houve muitas tentativas para estimar a produção e o uso dos resíduos globais, mas todas apresentaram muitas variações, pela existência dos diferentes usos alternativos, como a ração animal, o controle de erosão, o uso como fertilizante e medicinal; e também pela necessidade de se determinar o que é e o que não é um resíduo reutilizável para a obtenção de energia, e assim determinar sua verdadeira disponibilidade.

Os principais resíduos utilizados em nível mundial na tentativa de se estimar o potencial energético são os resíduos vegetais, que ultrapassam 10 x 109 bep, segundo Smill (1999). Atualmente a produção mundial dos principais produtos agrícolas utilizados na obtenção de energia é grande, e tem muitas possibilidades de incrementar sua competitividade energética, como é apresentado na Tabela 1.3.

Tabela 1.3 — Produção mundial dos principais produtos para a obtenção de energia

Matéria-primaProdução (Mt)*Produção de resíduos (Mt)**

Beterraba 237.857.862 –

* FAO, 2004. ** Calculado.

A cana-de-açúcar é a matéria-prima de maior produção em todo o mundo, produção esta encabeçada pelo Brasil com quase 400 milhões (Mt) de produção anual, seguido por Índia, China, Tailândia, Paquistão e México. A China é o maior produtor de arroz (187 milhões de Mt), os Estados Unidos são o maior produtor de milho (300 milhões de Mt) e de soja (86 milhões de Mt), a União Européia é a maior produtora de beterraba com quase 127 milhões de Mt. A Europa e os Estados Unidos são os principais concorrentes do maior produto energético obtido da biomassa, o álcool da cana-de-açúcar, já que a beterraba e o milho são utilizados por esses países para a obtenção do produto emergente.

Outros resíduos importantes são os resíduos sólidos urbanos e industriais, que estão sendo utilizados em alguns países devido a seu avanço tecnológico. Mas é difícil desenvolver uma análise relevante em âmbito mundial, dado que sua natureza compreende muitos

18 Biomassa para energia materiais orgânicos e não-orgânicos, e a proporção da composição dos resíduos varia de acordo com o nível econômico e o desenvolvimento industrial de cada país, e também pelos diversos destinos desses resíduos.

Os resíduos fl orestais constituem parte importante na disponibilidade da biomassa em alguns países pelas grandes quantidades geradas na colheita e na ação industrial. Essa fonte energética está encontrando mercado, em conseqüência do desenvolvimento tecnológico e dos baixos custos que representa sua utilização efi ciente.

Os resíduos animais representam importante quantidade de matéria-prima para a obtenção de energia gerada pelos principais rebanhos (bovino, ovino e suíno), e os países que possuem maior possibilidade para o seu aproveitamento são o Brasil em gado bovino e a China nos gados ovino e suíno, ultrapassando 160 milhões de cabeças para cada rebanho.

Quando se busca determinada disponibilidade de biomassa energética em um país ou região, é importante considerar as restrições de ordem ecológica, econômica (incluindo a social e a política) e tecnológica. Somente assim toda a biomassa potencialmente disponível (recurso) pode assumir o conceito de reserva, a partir do qual se determina o potencial anual de produção. As restrições ecológicas estão associadas à preservação do meio ambiente e à qualidade de vida. As limitações econômicas são analisadas em dois níveis. Em primeiro lugar, é necessário saber se a biomassa a ser explorada energeticamente não tem outros usos mais econômicos (industrial ou alimentício). Em segundo lugar, se todos os custos da biomassa explorada são compatíveis com os benefícios energéticos e comparáveis com os demais combustíveis. Finalmente, as restrições tecnológicas se devem à existência ou não de processos confi áveis e operações para conversão da biomassa em combustíveis de uso mais geral (Nogueira et al., 2000). O álcool combustível da cana-de-açúcar no Brasil é o principal exemplo da produção em grande escala de energia da biomassa, e que ainda tem um interessante crescimento pela frente. Outros exemplos são o aproveitamento do biogás na China, o aproveitamento do bagaço de cana nas Ilhas Maurício e atualmente no Brasil, e o coque vegetal também no Brasil.

1.2 Fontes da biomassa

A biomassa pode ser obtida de vegetais não-lenhosos, de vegetais lenhosos, como é o caso da madeira e seus resíduos, e também de resíduos orgânicos, nos quais encontramos os resíduos agrícolas, urbanos e industriais. Assim como também se pode obter biomassa dos biofl uidos, como os óleos vegetais (por exemplo, mamona e soja). A Figura 1.1 mostra um esquema das fontes de biomassa.

Biomassa no Brasil e no mundo 19

Figura1.1 — Fontes de biomassa Fonte: Ministério de Minas e Energia, 1982

1.3 Biomassa no Brasil

As primeiras biomassas no Brasil: resíduos vegetais, resíduos sólidos urbanos, resíduos industriais, resíduos animais e resíduos fl orestais. A seguir, analisa-se cada um deles.

1.3.1 Resíduos vegetais

Os resíduos vegetais são produzidos no campo, resultantes das atividades da colheita dos produtos agrícolas. O Brasil é um grande produtor agrícola, e nos últimos anos a área plantada e a produção agrícola tiveram um crescimento importante.

Essa produção agrícola gera uma grande quantidade de resíduos que são aproveitados energeticamente em virtude das tecnologias existentes. Mas atualmente o Brasil não aproveita mais de 200 milhões de toneladas de resíduos agroindustriais.1 Parte dos

1 CIRAD — Centro de Cooperação Internacional em Pesquisa Agronômica para o Desenvolvimento, 2004.

20 Biomassa para energia resíduos não aproveitados energeticamente encontra usos na ração animal, e nas áreas de medicina e fertilizantes.

Da Tabela 1.4 é possível inferir que, na atividade agrícola, o Brasil é um grande produtor de cana-de-açúcar, mas também outras culturas importantes, como a de arroz, mandioca e soja, podem e são aproveitadas energeticamente, como é o caso da cana-deaçúcar e de seu principal resíduo, o bagaço.

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