Alternativas tecnológicas para o uso de bagaço e palha de cana

Fernando JG Landgraf,

Diretor de Inovação do IPT

SIMTEC 2010

1

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

2

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.

3

• Mas uma usina de etanol e açúcar pode fazer muito mais que apenas energia:

• É a Biorefinaria de Cana

4

Os produtos da Biorefinaria da cana

5

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

Rota convencional

7

Rota de otimização energética

8

9

Rota gaseificação e transformação do gás em metanol

10

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.

11

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

12

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

13

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

14

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.

15

A alternativa gaseificação

• Rota bioquímica = hidrólise

• Rota termoquímica = gaseificação

CO + H2+ CH4 + CO2 + H2O

16

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.

17

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

19

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

20

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

22

Siemens, Alemanha

Planta piloto em Freiberg (ex-Future Energy

Tecnologia comercial para carvão.23

ECN, Holanda

2004 5kg/h 2008 , 160kg/h 24

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

25

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

27

Conclusão

A oportunidade é enorme

Os desafios também

Apresentamos aqui uma proposta

28

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

29