capim elefante como uma fonte renovÁvel para produÇÃo de...
TRANSCRIPT
I
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOENERGIA – MESTRADO
CAPIM ELEFANTE COMO UMA FONTE RENOVÁVEL PARA PRODUÇÃO DE
ENERGIA
ALEXANDER MITSUYOSHI TANABE
TOLEDO – PR
2017
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ALEXANDER MITSUYOSHI TANABE
CAPIM ELEFANTE COMO UMA FONTE RENOVÁVEL PARA PRODUÇÃO DE
ENERGIA
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Bioenergia em cumprimento parcial aos requisitos para obtenção do título de Mestre em Bioenergia, área de concentração em Biocombustíveis. Orientadora: Dra. Tatiana Rodrigues da Silva Baumgartner
TOLEDO – PR
2017
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5
Dedico primordialmente a Deus e aos meus pais e irmãos, por terem me
apoiado a todos os momentos e serem responsáveis pela concretização desta
vitória. Sou grato e devo muito aos esforços que fizeram por mim, amo
infinitamente.
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AGRADECIMENTOS
Como dizia "Machado de Assis" em uma de suas obras (Quincas Borba),
"Ao vencido, ódio ou compaixão; ao vencedor as batatas". Mesmo que eu tive que
ter muito esforço, determinação, ousadia, paciência e perseverança para chegar a
mais esta conquista, nada disso conseguiriam se não tivesse o apoio e as ajudas
de meus pais, no instante momento só têm a agradecer por eles terem confiados
em meu potencial.
Agradeço em primeiramente a Deus e a Meishu - Sama, sem esta energia
divina e permissão não teria alcançado a mais esta conquista.
Agradeço aos meus pais que tiveram paciência nas horas em que eu estive
ausente, nos momentos familiares.
Agradeço a minha orientadora Dra. Tatiana Rodrigues da Silva
Baumgartner, pela atenção e paciência que obteve em potencializar e guiar este
trabalho.
Aos amigos e colegas que sempre estiveram dispostos a me ajudarem em
todos os trabalhos, provas e pelas boas companhias nas horas mais difíceis no
decorrer desta conquista.
Por fim a todos que por boa intenção contribuíram para que neste momento
eu pudesse realizar este trabalho.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 01 Demanda de energia até 2030................................................................. 21
Figura 02 Matriz energética Brasileira...................................................................... 22
Figura 03 Utilização de Biomassa da agricultura em ascensão............................... 23
Figura 04 Oferta interna de Energia no Brasil.......................................................... 24
Figura 05 Oferta interna de Energia Renováveis nos anos de 2016/2017.............. 25
Figura 06 Fotossíntese das Plantas C4................................................................... 28
Figura 07 Estufa para secagem em 105ºC.............................................................. 41
Figura 08 Mufla e o Dessecador.............................................................................. 42
Figura 09 Mufla aberta no período de 30 minutos................................................... 43
Figura 10 Bomba Calorimétrica Utilizada................................................................. 44
Figura 11 Prensa extrusora de pistão mecânico...................................................... 46
Figura 12 Volume do briquete em relação ao volume normal in natura................... 47
Figura 13 Análise de TGA do capim elefante, ponto 1............................................. 56
Figura 14 Análise de TGA do capim elefante, ponto 2............................................. 57
Figura 15 Análise de TGA do capim elefante, ponto 3............................................. 57
Figura 16 Comportamento da energia de ativação em relação à conversão........... 60
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LISTA DE TABELAS
Tabela 01 Capacidade instalada por fonte de geração.................................... 20
Tabela 02 Operação das usinas energéticas................................................... 25
Tabela 03 Disponibilidade de Resíduos Vegetais............................................ 27
Tabela 04 Propriedades de um Briquete.......................................................... 38
Tabela 05 Custo do cultivo do Capim Elefante para a produção do Briquete.. 48
Tabela 06 Custo do cultivo do Eucalipto para a produção do Briquete............ 49
Tabela 07 Custo de fabricação de um Briquete............................................... 51
Tabela 08 Análise da folha............................................................................... 53
Tabela 09 Análise do Colmo............................................................................ 53
Tabela 10 Parâmetros cinéticos para o capim velho........................................ 59
Tabela 11 Parâmetros cinéticos para o capim novo........................................ 59
Tabela 12 Custo benefício do Eucalipto e do Capim Elefante......................... 61
Tabela 13 Valores energéticos do Eucalipto.................................................... 62
Tabela 14 Energia produzida por ha/ano kcal.................................................. 62
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LISTA DE ABREVEATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
Ca Cálcio
C Carbono
CO2 Gás Carbônico
C:N Carbono: Nitrogênio
CONAB Companhia Nacional de Abastecimento
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
Ea Energia de ativação
EPE Empresa de Pesquisa Energética
FBN Fixação Biológica de Nitrogênio
FDA Fibra em Detergente Ácido
FIPE Fundação Instituto de Pesquisa Econômica
FWO Flynn Wall Ozawa
ha hectare
K Potássio
Kcal Kilocaloria
Kg Quilograma
Kj kilojoule
Kw Kilowatt
Kw/th Kilowatt-hours-thermal
M Massa
IPT Instituto de Pesquisa Tecnológicas
Mpa Mega Pascal
MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MS Matéria Seca
ml Mililitro
N Nitrogênio
NBR Normas Brasileiras Regulamentadoras
O Oxigênio
OIEE Oferta Interna de Energia Elétrica
OIE Oferta Interna de Energia
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PCS Poder Calorífico Superior
PCI Poder Calorífico Inferior
PCH Pequena Central Hidrelétrica
P Fósforo
TEP Tonelada Equivalente do Petróleo
Ton Toneladas
T Temperatura
S Enxofre
TG Termogravimetria
Tcf Teor de Carbono Fixo
Tc Teor de Cinza
Twh Terawatt-hora
Tu Teor de Umidade
Tv Teor de Voláteis
TGA Termogravimétrica
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RESUMO TANABE, Alexander. M, Universidade Estadual do Oeste do Paraná - UNIOESTE, Agosto - 2017. Capim elefante como uma fonte renovável para produção de energia. Orientador: Dra. Tatiana Rodrigues da Silva Baumgartner.
A diversidade em desenvolver novos recursos tecnológicos, visam substituir combustíveis fósseis por uma nova eficiência energética, por demandas energéticas sustentáveis em que a natureza nos disponibiliza através da biomassa. Os resíduos agrícolas possuem um grande potencial de armazenagem energética, disponibilizam o aproveitamento dessa energia através da biomassa, nas agroindústrias, possibilitando a utilização in natura, como a bioenergia. O Capim elefante, muito comum para a nutrição bovina, pode ser utilizado na obtenção direta de energia renovável. Esta energia colabora com a renovação e reutilização das matérias prima, realizando a absorção de CO2, pelas plantas como esta gramínea. O objetivo da pesquisa é analisar o custo benefício, a capacidade de combustão para fonte energética e uma prévia comparação com a biomassa proveniente do Eucalipto. Foi caracterizado análises imediatas como: Teor de Cinza, Teor de umidade, Teor de Voláteis, Carbono Fixo e Poder Calorífico. Foram realizadas em três pontos de coleta das partes da folha e do colmo, em diferente tempo de maturação da planta (nova e velha). A metodologia utilizada foi realizada pelo corte das plantas mais velhas e as mais novas, posteriormente o colmo e as folhas foram trituradas no liquidificador e secadas in natura, na sombra. Após a desidratação do capim elefante, uma amostra foi inserida na estufa e mufla. Assim através das análises verificou se que o capim elefante é uma ótima fonte de energia economicamente viável e em relação ao Eucalipto. O ciclo de maturação do Eucalipto é maior em relação ao do capim elefante. Dentro dessas questões observou-se que o Capim Elefante é de fácil manuseio quando transformado em briquet potencializando ainda mais sua capacidade energética.
Palavras-Chave: Sustentabilidade, Potencial Energético, Biomassa.
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ABSTRACT
TANABE, Alexander. M.sc., State University of West Paraná - August - 2017. Elephant grass as a renewable source for energy production. Supervisor: Drª Tatiana Rodrigues da Silva Baumgartner. The diversity to develop new technological resources aims to replace fossil fuels into new energy efficiency by other sustainable energy demands being provided for us by the nature from biomass and research incentives. Agricultural waste has a great potential for storage and they are destined to the use of this energy through the biomass in agro-industries, making possible the in natura use, like bioenergy. Elephant grass is very common for bovine nutrition, and it can be used in the direct procurement of renewable energy. This energy collaborates with the renewal and reuse of the raw materials, making the absorption of CO2 by plants like this grassy. This research has as a goal to analyze the cost benefit, the combustion capacity for energy source and a previous comparison with the biomass of Eucalyptus. Some analyzes were characterized: (Gray, Humidity and Volatile), Fixed Carbon and Calorific Power in three collection points with the leaf and the stem, in different plant maturation (new and old). The used methodology was obtained by cutting of the oldest and the youngest plants, later both the stem and the leaves were ground in the blender and dried in natura, in the shade, until the moment that the material was inserted in the oven and muffle. Thus, through the analyzes, it was verified that Elephant grass is a good source of economically viable energy in relation to Eucalyptus due to its maturation. The maturation cycle of Eucalyptus is higher than the Elephant grass. In relation to these issues, it was observed that Elephant Grass is easy to handle when it is transformed into briquet, increasing its energy capacity. Keywords: Sustainability, Energy Potential, Viability.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................... 15
2 OBJETIVOS......................................................................................................... 19
2.1 OBJETIVO GERAL............................................................................................... 19
2.1.1 Objetivos Específicos............................................................................................ 19
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................ 20
3.1 MATRIZ ENERGÉTICA DO BRASIL.................................................................... 20
3.1.1 Panorama Energético e Ambiental....................................................................... 23
3.2 RESÍDUOS DA AGRICULTURA.......................................................................... 26
3.3 CAPIM ELEFANTE............................................................................................... 28
3.3.1 Potencial energético do capim elefante................................................................ 29
3.3.2 Eucalipto............................................................................................................... 30
3.4 METABOLISMO FOTOSSINTÉTICO E PRODUÇÃO DE BIOMASSA................ 31
3.4.1 Biomassa.............................................................................................................. 31
3.4.2 Caracterização da Biomassa................................................................................ 33
3.4.2.1 Estrutura da Biomassa.......................................................................................... 34
3.4.2.2 Propriedades Físicas da Biomassa...................................................................... 34
3.4.2.3 Massa Específica.................................................................................................. 34
3.4.2.4 Densidade............................................................................................................. 35
3.4.2.5 Briquetes............................................................................................................... 35
3.4.2.6 Análise Imediata................................................................................................... 36
3.4.2.7 Teor de Umidade.................................................................................................. 36
3.4.2.8 Teor de Voláteis.................................................................................................... 37
3.4.2.9 Teor de Cinzas...................................................................................................... 37
3.5 PODER CALORÍFICO.......................................................................................... 37
3.6 ENERGIA DE ATIVAÇÃO..................................................................................... 39
4 METODOLOGIA................................................................................................... 40
4.1 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE UMIDADE........................................................ 41
4.2 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE VOLÁTEIS....................................................... 41
4.3 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE CINZAS........................................................... 42
4.4 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE CARBONO FIXO............................................. 43
4.5 PODER CALORÍFICO SUPERIOR...................................................................... 43
14
4.6 QUANTIFICAÇÃO DO PCI (PODER CALORÍFICO INFERIOR).......................... 45
4.7 CONFECÇÃO DOS BRIQUETES........................................................................ 45
4.7.1 Densidade dos briquetes...................................................................................... 46
4.8 QUANTIFICAÇÕES DO CUSTO DE PRODUÇÃO DA BIOMASSA.................... 47
4.9 ANÁLISES TERMOGRAVIMÉTRICA................................................................... 51
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................... 53
5.1 ANÁLISE IMEDIATA DA BIOMASSA IN NATURA.............................................. 53
5.1.1 Determinação do Teor de Umidade...................................................................... 53
5.1.2 Determinação do Teor de Voláteis....................................................................... 54
5.1.3 Teor de Cinza....................................................................................................... 55
5.1.4 Poder Calorífico.................................................................................................... 55
5.1.5 Análise de TGA..................................................................................................... 56
5.2 ANÁLISES CINÉTICA DA AMOSTRA DE CAPIM ELEFANTE............................ 58
5.2.1 Método de Isoconversão Flynn Wall Ozawa (FWO), para cálculo de
parâmetros cinéticos............................................................................................. 58
5.3 COMPARAÇÃO ENERGÉTICA DO CAPIM ELEFANTE E DO EUCALIPTO 60
5.4 VOLUME DO BRIQUETE..................................................................................... 62
6 CONCLUSÃO....................................................................................................... 64
REFERÊNCIAS.................................................................................................... 66
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1. INTRODUÇÃO
A preocupação da utilização das fontes energéticas finitas, pelo fato destes
combustíveis fósseis e seus derivados proporcionarem grandes implicações ao
meio ambiente, como por exemplo, contribuindo para o aumento do efeito estufa,
no qual ameaça o equilíbrio do clima da Terra, pois com o aumento da poluição, a
temperatura do Planeta também pode aumentar. O Brasil possui fontes de energia
alternativa que substitui os combustíveis fósseis, colaborando com o meio ambiente
e com o desenvolvimento econômico do país. E uma das alternativas está na
utilização da biomassa com o uso de médio e longo prazo no Brasil. Pois o país
demonstra favoravelmente extensão de terras cultiváveis para suprir essa produção
para tal fim energético (GOLDEMBERG, 2009).
Para suprir a demanda energética, a biomassa de várias plantas e
oleaginosas estão sendo utilizadas como matéria prima para a produção de
energia. Entre estas, a biomassa proveniente do Capim elefante (Pennisetum
purpureum), que é uma gramínea originada da África subtropical descoberta em
1905, vem adquirindo importância neste quadro estratégico e tem sido alvo de
estudos para fins energéticos (Rodrigues et al., 2001).
O capim elefante chegou ao Brasil no período de 1920 e adaptou nas cinco
regiões do país (Quéno et al., 2011). Foi inserido para a alimentação bovina,
especialmente para rebanho de gado leiteiro, sendo utilizado com interesse
proteico para o bovino, mas não são mais vistos com tanta riqueza em proteína
para esses animais (Pereira, 1992).
O capim Pennisetum purpureum são ricos também em fibras e lignina de alta
relação carbono: nitrogênio (C:N) e conjuntamente com a alta produção da
biomassa e captação de nitrogênio pelas folhas desta gramínea, favorece na sua
utilização para fins energéticos.
Nas regiões tropicais e subtropicais é direcionado um montante às terras de
baixa fertilidade, para a formação de pastagens, com o desenvolvimento rápido das
gramíneas (Monteiro & Werner, 1989; Deresz, 1999). Já onde apresenta uma
estabilidade da produção de forragem, como na região nordeste do Brasil, pela
péssima distribuição das chuvas, produz um forrageiro com uma baixa qualidade
de nutrientes para alimentação dos animais, comprometendo o processo de
engorda destes. Devido a este déficit nutricional do capim, está sendo utilizado
16
como uma fonte alternativa para um melhor aproveitamento de subprodutos
disponíveis no período crítico e para que o produtor não se prejudique,
aproveitando a gramínea tanto para o consumo animal, como para, a como fonte
energética local.
Com esta premissa, as diversificações das atividades potencializam
rendimento financeiro do produtor rural, a partir de subprodutos do capim elefante
como matéria prima de produção energética, através de biomassa deste vegetal
com pequeno custo e benefício que é favorecido com seu manejo. Por sua grande
produção de matéria seca, o capim elefante vem sendo cultivado em todo o Brasil,
pois resistem a condições climáticas desfavoráveis, como o frio e a seca. Assim
autores como Alberto et al. (1993), Andrade (1993) e Salgado (1992), tem
trabalhado com essa espécie, qualificando sua produtividade, qualidade e por ter
elevada quantidade de fibra, semelhante a cana-de-açúcar.
Segundo Alves & Boddey (2008) o capim elefante por ser uma espécie com
rápido crescimento e alta produção de biomassa vegetal, apresenta potencial para
uso não apenas como fonte alternativa de energia, como também, para a obtenção
de carvão vegetal usado na produção industrial de ferro gusa. Além disso, deve-se
destacar que o capim elefante, por apresentar um sistema radicular bem
desenvolvido, pode contribuir de forma eficiente para aumentar o conteúdo de
matéria orgânica do solo, ou o sequestro de carbono (C) no solo.
A cultura de P. hybridum é altamente eficiente na absorção de CO2 (gás
carbônico) atmosférico durante o processo de fotossíntese para a produção de
biomassa vegetal. Esta característica é típica de gramíneas tropicais que crescem
rapidamente e aperfeiçoam o uso da água do solo e da energia solar para a
produção de biomassa vegetal.
O capim elefante tem sua origem uma grande variabilidade genética, com
características variáveis de rendimento, fotoperíodo, perfilhamento, relação
colmo/folha e qualidade como forragem. O capim elefante híbrido (Pennisetum
hybridum) é o resultado do cruzamento do capim elefante comum (Pennisetum
purpureum) com o milheto (Pennisetum americanum) (HANNA et al.,1984).
O uso de energias renováveis como ao do capim elefante, como uma
alternativa energética, pode contribuir para diminuir a dependência do petróleo
(QUESEDA, 2001).
17
Com a iniciativa do Protocolo de Kyoto em 1997, aos quais os países que
utilizarem energia através de fontes de mecanismos de desenvolvimento limpo
(MDL), serão beneficiados por créditos através de subsídios de carbono da não
emissão deste composto químico na geração de energia e posteriormente mais
recentemente a conferência de Paris 2016, com a participação de 197 países
signatários adquirir ao compromisso de manter conjuntamente o aumento da
temperatura média de elevação média global em menos de 2ºC, (COP21,2016).
Algumas alternativas devem ser estudadas e potencializadas em relação à
adaptação de cada local, pois como espécies de alta eficiência energética como
caso do Capim Elefante, que tem o potencial de acumulação de matéria seca, que
deve ter uma melhor atenção para estudos relacionados para a utilização do
mesmo a fins energéticos para pequenos e médios proprietários.
Segundo Lavezzo (1985), mesmo com limitações de seca e nutriente do
solo, o capim elefante atinge seu ''equilíbrio nutritivo'' com um tempo maior,
demonstrando uma boa produtividade e com alto teor de umidade. Em sua
totalidade o aumento do intervalo de seus cortes proporciona maior produção na
matéria seca.
O capim elefante é tão eficaz em certas regiões do país, pelo qual nos
últimos anos, vem sendo desenvolvidos estudos para a substituição do carvão
mineral, por carvão derivado da massa seca do capim elefante, assim esses
estudos devem ser aprofundados no sentido de verificar a melhor adequação desse
plantio e posteriormente obter um resultado de um melhor carvão obtido desta
gramínea (QUESEDA, 2001).
A biomassa de capim elefante possui a capacidade de produzir até 45
toneladas de matéria seca por hectare ano, sendo que a primeira colheita pode ser
realizada em seis meses, indicando um grande potencial de energia, com alto teor
de lignina e fibras (VILELA, 2009).
As primeiras tentativas de converter capim elefante em energia foram
realizadas na Inglaterra, há 30 anos. Alemanha e Áustria também buscaram, sem
sucesso, transformá-lo em uma alternativa energética economicamente viável. No
Brasil, o Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo estudou utilizá-lo
como um substituto do carvão vegetal, consumido pela indústria siderúrgica.
Queiroz Filho et al. (2000), potencializam a grande justificativa da utilização,
pela capacidade do capim elefante de produzir a matéria seca (MS) por unidade de
18
área, sendo difundido por todo território brasileiro, por resistir a variáveis condições
climáticas do nosso país, como seca moderada e frio.
Entretanto, o custo de produção de energia através da biomassa do capim
elefante ainda necessita de estudos objetivando a sua viabilidade econômica para
o país (SMEETS; FAJJ, 2009).
Como o Brasil possui um clima favorável ao cultivo do Eucalipto, ele destaca
no cenário mundial no setor da silvicultura, chegando ao patamar de 50 metros
cúbicos (m3) em madeira por hectare por ano, (OLIVEIRA JR, SEIXAS, 2006;
RODRIGUEZ, BUENO, RODRIGUES, 1997).
Desta forma, o objetivo do trabalho foi verificar o potencial energético do
capim elefante, as vantagens da utilização do capim elefante em relação da
biomassa proveniente do eucalipto para produção de energia.
19
2.OBJETIVO
2.1 OBJETIVO GERAL
Verificar a potencialidade energético do capim elefante de forma a favorecer
a sustentabilidade energética de pequenas e grandes indústrias através do cultivo
dessa gramínea.
2.1.1 Objetivos específicos
Analisar as vantagens do cultivo de produção do capim elefante, por ciclo de
crescimento, manejo e o seu custo benefício.
Verificar a capacidade de combustão do capim elefante para atuar como
fonte de energética.
Realizar um estudo comparativo do potencial energético do capim elefante
e do eucalipto;
Verificar a obtenção de energia através do capim elefante na forma
briquetes.
Comparar no capim elefante as partes entre a folha e o colmo, qual é o mais
favorável energeticamente.
20
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 MATRIZ ENERGÉTICA DO BRASIL
O país utiliza os recursos energéticos provenientes do petróleo em sua maior
porcentagem na matriz energética, porém necessita da redução dessa matéria
prima de hidrocarbonetos, pois para obter um menor impacto ao meio ambiente,
conjuntamente na produção, na oferta interna de energia, sem obter prejuízo na
economia Brasileira. O Brasil teve uma estimativa para 2016, em mais de 286
milhões de Toneladas Equivalentes do Petróleo (TEP), mas desta totalidade 43,9%
é proveniente de energias renováveis. Com este percentual indicativo o Brasil
possui a mais limpa matriz energética do mundo. Pois esses dados constam no
Boletim Mensal de Energia em fevereiro de 2016, (PORTAL BRASIL, 2016).
O subconjunto da matriz energética, as estimativas que foram realizadas
para 2016 demonstraram vantagens para as energias renováveis possibilitando a
chegar 79% da participação, um indicador favorável ao restante do mundo, onde
este mesmo levantamento é de 24%.
Já em 2017 essa porcentagem ainda se encontra em 43% da utilização das
energias renováveis, (GOLDEMBERG; NIGRO; COELHO, 2008).
A evolução da capacidade instalada por fonte de geração em (Mega Watts),
relata até 2020 a quantidade das variáveis fontes, como demonstra a Tabela 1
Tabela 1: Capacidade instalada por fonte de geração (Mega Watts).
FONTE 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Hidrelétrica 89.856 94.053 98.946 104.415 109.412 111.624 115.123
Pequena Central Hidrelétrica
4.633 4.957 5.187 5.457 5.737 6.047 6.447
Gás Natural 11.309 11.659 11.695 11.659 11.659 11.659 11.659
Carvão 3.205 3.205 3.205 3.205 3.205 3.205 3.205
Óleo Combustível 8.790 8.790 8.790 8.790 8.790 8.790 8.790
Óleo Diesel 1.471 1.121 1.121 1.121 1.121 1.121 1.121
Gás de Processo 686 686 686 686 686 686 686 Biomassa 7.053 7.353 7.653 8.003 8.333 8.703 9.163
Urânio 2.007 2.007 3.412 3.412 3.412 3.412 3.412
Eólica 6.172 7.022 7.782 8.682 9.532 10.532 11.532
TOTAL 135.182 140.853 148.441 155.430 161.887 165.779 171.138
Fonte: Empresa de Planejamento Energético (EPE) - 2016.
21
O pesquisador Malzoni (2010), relata a quantidade utilizada de energias
renováveis é de aproximado em 50%, da energia consumida no Brasil, ou seja,
derivada de recursos que fazem a ciclagem da matéria prima, favorecendo o seu
ciclo energético renovável. Esta necessidade de alterar a matriz energética
mundial, proporciona diminuir o uso de combustíveis fósseis, por uma energia
renovável com menor índice de poluentes eliminados no meio ambiente.
Conforme o Ministério de Minas e Energia (2011), o clima brasileiro possui
uma grande diversificação e dimensão, que proporciona um conjunto de fontes
mais limpas de energia. A matriz energética brasileira utiliza a energia renovável
em (42%). A estimativa ganha destaque referente a comparação das outras
matrizes mundiais.
Segundo José Goldemberg (2008), físico, ao utilizar as energias
provenientes somente das matérias primas produzidas no Brasil, não deve-se
depender somente da importação de fontes energéticas e nem suscetíveis a crises
e alterações de preços mundiais, porém a falta investimento e de tecnologia e
pesquisa direcionadas aos recursos energéticos, pode alterar o rumo das fontes e
pode ''sujar'' a matriz de fontes energéticas do país gradativamente.
A EPE - Empresa de Pesquisa Energética (2016), prevê um enorme
crescimento da demanda de energia nos próximos 25 anos, obtendo um
crescimento, pois se estima o aumento da renda per capta, consequentemente
neste período ocorrerá um aumento do consumo de energia em 3,4% nos períodos
2010-2030, justificando a demanda nacional, demonstrado na Figura 1.
Figura 1: Demanda de energia até 2030. Fonte: EPE-2015.
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Com os estudos de Goldemberg (2008), pode-se verificar uma tendência nos
estudos no século XXI a diversificação na matriz energética brasileira. Observa-se
que no Figura 2, em 1970 era utilizado duas fontes de energia, lenha e petróleo,
que respondiam os 78% do consumo, já em meados da década do novo século, já
se obtinha uma terceira fonte, a energia proveniente da hidroeletricidade, que
correspondia 74% do consumo. Cogita-se para 2030 mais fontes de energias
provenientes da cana-de-açúcar e gás natural.
Figura 2: Matriz energética Brasileira Fonte: EPE-2015.
O desenvolvimento tecnológico somado com as condições econômicas e
estruturais do Brasil tem favorecido a agroenergia que está sendo promissor diante
das atividades do agronegócio. Pois tem favorecido as pressões sociais de maior
demanda no emprego, na renda, nos fluxos migratórios e em relação ao meio
ambiente como (mudanças no clima e pelas consequências da poluição),
proporcionando uma tendência cada vez maior na representatividade em busca de
matriz energética sustentável vista na Figura 3, pois o país é favorecido
climaticamente para potencializar a utilização da terra (solo), para favorecer a
agricultura e ao mesmo tempo em fontes de energia (GOLDEMBERG; NIGRO;
COELHO, 2008).
23
Figura 3: Utilização de Biomassa da agricultura em ascensão Fonte: Greenpeace - 2008.
No estudo por fontes renováveis mais eficientes de energia pela utilização
de biomassas, foi realizada uma pesquisa que evidenciou um comparativo da
importância do potencial produtivo do capim elefante e do eucalipto, pois
determinadas espécies do gênero Eucalyptus predominam a favor do crescimento
aéreo acelerado, caracterizando em média de 300 cm por ano (CATHARINO,
2007).
A biomassa entrou no ranking entre as primeiras mais importantes fontes
renováveis geradas no Brasil na Oferta Interna de Energia Elétrica (OIEE), com o
consumo interno de 8,8%, um índice maior que utilizado pelo gás em 8,1% de
potencial utilizado no país, (Ministério de Minas e Energia, 2016).
3.1.1 Panorama Energético e Ambiental
A biomassa no Brasil pode ser utilizada em larga escala, pois é o recurso em
combustível mais disponível e renovável. Por este motivo iniciou a utilização de
uma dessas matérias primas. A lenha foi uma das primeiras a ser coletada nas
áreas desmatadas desde o início da colonização (século XVI), a queima desta
matéria prima foi útil para uma fonte de calor, cozimento de alimentos e para a
produção de carvão vegetal artesanal. Porém naquela época o consumo era de
forma exploratória e predatória, mesmo sendo uma economia de subsistência, o
qual não trazia muitos prejuízos em áreas florestais (Patusco 2011).
24
As análises de Patusco (2011), já no século XX, na década de 40, a fonte de
biomassa permeava cerca de 83% de Oferta Interna de Energia – OIE do Brasil,
dos quais 81% era de lenha e o bagaço de cana era de 2%. Até a década de 40 a
lenha foi utilizada fortemente nas casas e estabelecimentos comerciais e industriais
brasileiras, no transporte ferroviário e marítimo. Com o processo de modernização
na agricultura, favoreceu uma demanda por formas de energia mais eficientes e de
fácil transporte (petróleo), em substituição a biomassa.
Segundo a Empresa de Pesquisa Energética EPE (2016), com a crescente
utilização dos derivados de petróleo e da expansão da hidroeletricidade, a
biomassa ainda possui uma pequena porcentagem em sua oferta na participação
interna de energia no Brasil, como mostra o Balanço Energético Nacional na Figura
4.
Figura 4- Oferta interna de Energia no Brasil. Fonte: BEN (2016).
Segundo os estudos analisados pelo Ministério de Minas e Energia (2017),
o senário da oferta interna de energia proveniente da utilização dos derivados de
petróle teve crescimento até meados da década de 90, porém nas decadas
seguintes a utilização de energias renováveis vem sendo utilizado com maior
frequência como demonstra o Figura 5.
25
Figura 5: Oferta interna de Energia Renováveis nos anos de 2016/2017. Fonte: Ministério de Minas e Energia 2017, BEM (2017).
A utilização da Biomassa é a segunda fonte mais importante na geração de
oferta de energia elétrica (OIEE), para sustentar a economia com o total de 54 Twh
em 2016 e esse número segundo a Figura 5 vem crescendo anualmente.
Mas este quadro necessita obter incentivos do governo, pois à mudanças
nas fontes geradoras, na matriz brasileira ainda possui o uso de combustíveis
fósseis, pois é verificada na Tabela 2 o quanto ainda a matriz energética no Brasil
deve crescer em energias renováveis.
Tabela 2: Operação das usinas energéticas no Brasil.
Tipo de Empreendimento Número de
Usinas Capacidade instalada
(em Megawatts) Participação
1- Hidroelétrico - 871 80.057,6 67,2%
SubTotal 871 80.057,6 67,2%
2- Gás Natural 93 11.050,5 9,3%
De Processo 35 1.291,3 1,1%
SubTotal 128 12.341,8 10,4%
3- Petróleo Óleo Diesel 824 3.992,5 3,3%
Óleo Residual 29 2.523,8 2,1%
SubTotal 853 6.516,3 5,5%
4- Biomassa
Bagaço de Cana 313 6.011,6 5%
Licor Negro 14 1.240,8 1%
Madeira 40 327,8 0,3%
Biogás 9 48,5 0,04%
Casca de Arroz 7 31,4 0,03%
SubTotal 383 7.660,2 6,4%
5- Nuclear - 2 2.007 1,7%
SubTotal 2 2.007 1,7%
6- Carvão Mineral - 9 1.594,1 1,3%
SubTotal 9 1.594,1 1,3%
7- Eólica - 46 835,3 0,7%
SubTotal 46 835,3 0,7%
Total dos empreendimentos domésticos 2.292 111.012,3 93,1%
Importação - 8.170 6,9%
TOTAL GERAL 119.182,3 100%
Fonte: Aneel (2010).
26
As duas fontes mais utilizada conjuntamente com o Petróleo, o gás e o
carvão, juntos atingem 17%, porém essa utilização por ser mais ambundante, elas
são os que mais poluem ao meio ambiente. Já as fontes provenientes da Biomassa,
Nuclear e a Eólica, possui baixa emissão de carbono, há uma expressão diminuta
de aproximadamente 9% e em seguida uma parcela do agrocombustível em 5%.
Como não pode-se armazenar eletricidade em grandes quantidades, exceto em
pequenas unidades como pilhas e baterias. Assim a geração, transmissão,
distribuição e consumo, em grandes quantidades, devem estar em constante
distribuição permanente, pois o seu fornecimento de energia elétrica jamais deve
ser enterrompida, pois em quaisquer situações ela provoca um transtorno nas
sociedade. As instituições responsáveis como a ANEEL e o Sistema Elétrico
Nacional são os administradores que deixam o sistema em funcionamento em
perfeitas condições, (Conab, 2010).
3.2 RESÍDUOS DA AGRICULTURA
Com a Norma Brasileira 10.004 resíduos são aqueles que:
(...) resíduos nos estados sólidos e semi sólidos que resultam da atividade da comunidade de origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Considera-se também, resíduo sólido os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornam inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou corpos d’água, ou exijam, para isso, soluções técnicas e economicamente inviáveis, em face à melhor tecnologia disponível‖ (ABNT,1987).
Até pouco tempo os resíduos agrícolas não eram utilizados para fins
energéticos, mas verificaram que estes resíduos são hoje um potencial considerado
eficiente para a produção de energia a partir de restos agrícolas e de seu
beneficiamento ou resíduos como: cascas de frutos, os bagaço, palhas, cereais,
casca de arroz, casca de amendoim, os resíduos das podas de pomares e vinhas,
rejeitos de madeireiros, entre outros (SAITER, 2008).
27
A pesquisa de Matos (2005), a geração de resíduos da agricultura é
mesclada, pois depende do cultivo adotado pelo produtor, pois as condições
climáticas, a fertilidade do solo o destino dos produtos, entre outros. Já o conteúdo
dos nutrientes dos resíduos de culturas podem possuir variações, pois os próprios,
como a produção dependem da fertilidade do solo e do tipo de material adotado.
Os dados de Nonhebel (2007) a partir de outros produtos gerados de
material vegetal, estes se originam as biomassas mais significativas com relação
do potencial energético são aquelas adquiridas de culturas que propiciam resíduos
agrícolas.
Segundo os estudos de Ademe (2009) demonstrou uma tabela de biomassa
utilizada para geração de energia na Tabela 3 demonstra a produção agrícola e
suas quantidades de matéria prima gerada como resíduos.
Tabela 3: Disponibilidade de Resíduos Vegetais
REGIÃO/UF
Palha de Soja
Palha de Milho
Rama de Mandioca
Palha de Arroz
Casca de Arroz
Palha de Trigo
Palha de Feijão
Paraná 2.017,05 4.175,50 358,27 80,25 11,46 1.122,5
8 143,31
Santa Catarina
194,66 1.124,49 47,77 489,16 72,61 71,65 23,88
Rio Grande do Sul
1.519,78 1.734,02 119,42 3.233,0 473,87 692,65 23,88
SUL 3.731 7.034 525 3.802 558 1.887 191
Mato Grosso do Sul
2.669,34 1.164,37 74,77 68,79 11,46 23,88 0,00
Mato Grosso
675,93 2.512,66 47,77 324,83 45,86 0,00 23,88
Goiás 1.069,79 1.448,6 23,88 103,18 15,29 23,88 47,77
Distrito Federal
23,17 75,71 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
CENTRO-OESTE
4.438 5.201 119 497 73 48 72
BRASIL 9.848 17.048 2.341 5.281 776 2.006 478
Fonte: Adaptado de EPE 2010.
Conjuntamente com Brás et al. (2007), pode-se inferir que não são todos os
resíduos agrícolas que podem ser utilizados para fins energéticos e devem possuir
as seguintes considerações que potencializam os seguintes itens: devem constar a
redução da dependência energética nacional; maior opção de culturas e redução
de emissão de gases poluentes do efeito estufa.
28
3.3 CAPIM ELEFANTE
O capim elefante é típico de gramíneas tropicais, que são do gênero Atriplex
possui espécies C3 e C4, favorece um estudo mais complexo das plantas C4, na
comparação entre duas vias fotossintéticas, (BJÖRKMAN et al., 1971; PIMENTEL,
1985).
A sintetização da fotossíntese C4 é uma via adaptativa para amenizar as
decorrências do declínio constante do dióxido de carbono (CO2) atmosférico, com
o apoio da fotorrespiração. Esta fixação de carbono é proveniente de duas células:
mesófilo e da bainha, (MARENCO & LOPES, 2009).
Para se obter uma melhor eficiência na captação de carbono em uma planta,
ela deve possuir um excelente potencial fotossintético, pois o capim utiliza o
mecanismo C4 que tem um sistema de afinidade com o dióxido de carbono (CO2)
e este nome está relacionado pelo fato do ácido oxalacético possuir 4 moléculas de
carbono e o mesmo fixar com maior eficiência no aproveitamento de energia solar
pela planta, como demonstra a figura 6.
Figura 6: Fotossíntese das Plantas C4 Fonte:Lehninger,D.N., 2000.
A fotossíntese é o meio biológico importante para sintetizar compostos
carbonados que não formariam sem um input de energia. Essa energia luminosa é
direcionada a síntese de carboidratos com o rompimento do dióxido de carbono e
água com a liberação de oxigênio. Assim a produção de biomassa vegetal é
29
acelerada e a otimização da captação da agua do solo e da energia solar, são
favorecidas conjutamente com este mecanismo C4 o capim elefante possui uma
capacidade de acumular grande quantidade de matéria seca e com elevado teor de
fibras o que gera um potencial energético (SAMSON et al, 2005).
Conjuntamente com a fixação do carbono, o capim elefante obtenha uma
capacidade de matéria seca, ela possui uma fixação biológica de nitrogênio (FBN),
(KIRCHHOF et al.,2005).
Com Morais et al. (2009) a capacidade de fixar nitrogenio esta alencada com
a ajuda de uma bactéria endofídicas diazotróficas do gênero Herbaspirillum estão
em mutualismo com as raízes do capim e nas folhas, potencializando em 50% do
nitrogênio que a planta necessita.
3.3.1 Potencial energético do capim elefante
De acordo com Quéno (2009) a quantidade de fibras que uma planta possui
em seu material vegetativo, distingue o potencial energético, como toda a sua
biomassa. O Capim elefante possui características de um vegetal rico em fibras,
especialmente lignina. Para determinar este teor de fibra, é utilizado um detergente
ácido, com finalidade de solubilizar a célula e a hemicelulose, pois é um resíduo
insolúvel no detergente ácido, caracterizado como fibra em detergente ácido (FDA),
constituido em lignina e celulose (lignocelulose).
Os valores de FDA possuem variação nos intervalos de cada corte e nas
condições ambientais e principalmente na umidade, no período de crescimento das
plantas. Para que o seu FDA seja acima de 50%, o Capim elefante deve ser podada
em períodos de seis em seis meses, favorecendo o potencial energético da
biomassa (QUESADA et al., 2004).
Para calcular o poder energético de uma biomassa é determinado pela
utilização de uma bomba calorimétrica que avalia o Poder Calorífico Superior (PCS)
na unidade de kcal/kg. A quantidade de carbono e hidrogênio nos tecidos é que vão
quantificar a energia potencial em que o Capim elefante acumula em sua biomassa
(QUÉNO, 2009).
30
3.3.2 Eucalipto
Desde 1940 no Brasil, ja era utilizada em 80% de sua energia proveniente
da biomassa florestal (Madeira), com a utilização de outras fontes houve um
pequeno decréscimo na participação da madeira como fonte energética, porém o
consumo não se alterou, demonstrando o potencial no mercado para a sua
utilização como fonte de energia proveniente da biomassa (LIMA & BAJAY, 2000).
Originário da Austrália de grandes maciços florestais de porte arbóreo, foi
inserida no Brasil no início do século atual, por volta de 1905, pelos profissionais
que conheciam muito bem a adaptação dessa espécia, o engenheiro agronômo
Navarro de Andrade, com a finalidade de uma madeira para estradas de ferro no
estado de São Paulo (ANDRADE, 1928).
O eucalipto possui plantas com mais de 600 espécies e seu tronco quase
sempre é retilíneo e cilíndrico, muito lisa e com casca ou muito áspera com sua
copa comumente rala (BERTOLA, 2007).
Nas florestas plantadas por eucalipto indicam estudos científicos,
demonstram à partir da matéria seca por tonelada, são retiradas do ar 1,8 toneladas
de dióxido de carbono (CO2) e liberados 1,3 toneladas de O2 para o ambiente
atmosférico (GUT, 1998).
A biomassa do eucalipto, absorve o carbono atmosférico, produzindo
energia, em até 60 toneladas por hectares no período de um ano e essa produção
em solos com baixa fertilidade e déficit hídrico (OLIVEIRA NETO et al. , 2003).
O reflorestamento com eucalipto proporciona a fertilidade do solo a longo
prazo, (KARSCHON, 1961).
Com as adaptações às condições favoráveis climáticos o eucalipto e mesmo
com a falta de condições hídrico, no decorrer de sua evolução trouxe inúmeras
espécies. O melhoramento genético no Brasil nesses últimos 50 anos, proporcionou
avanços técnicos na silvicultura, alavancou a produtividade de biomassa neste
país. A facilidade do uso da madeira proveniente do eucalipto é utilizada para
indústrias moveleiras e para fins energéticos, (EMBRAPA, 2006).
A produção de eucalipto no clima do brasil é favorece as mais altas taxas de
produtividade na silvicultura, que podem atingir em média 50 m3 de madeira por
hectare anual em relação comparada aos países que possuem climas temperado
(OLIVEIRA JR, SEIXAS, 2006; RODRIGUEZ, BUENO, RODRIGUES, 1997).
31
3.4 METABOLISMO FOTOSSINTÉTICO E PRODUÇÃO DE BIOMASSA
Uma das formas de energia a ser armazenada indiretamente é a biomassa,
pelo sistema fotossintético ocorre a assimilação do CO2 da atmosfera. A energia
acumulada entre as ligações químicas das plantas, podem ser utilizadas de várias
formas (BRITO; BARRICHELO, 1979; TAIZ; ZEIGER, 2016).
3.4.1 Biomassa
A caracterização de biomassa segundo Marcelo Guimarães de Mello:
[…] chama-se energia da biomassa toda energia
derivada das plantas, algumas de elevadíssima
produtividade nos países tropicais, tais como a cana,
capim elefante, mandioca, dendê, florestas de rápido
crescimento, etc., capazes de ser transformadas em
energia líquida, sólida, gasosa ou elétrica
(Vasconcellos apud Mello, 2002, p.11).
No que se diz a citação a cima, pode-se ter a definição mais aproximada e
correta para se definir a biomassa, deve ser inserido como fonte de biomassa os
resíduos encontrados em áreas não agrícolas que são provenientes de indústrias
e de resíduos urbanos. Nas indústrias estão às madeireiras, serrarias, construções
civis e as mobiliárias que geram resíduos por meio do beneficiamento de casca
provenientes das árvores (tora), costaneira, cavaco, pó de serra, maravalha,
pallets, aparas e serrarias, (Vasconcellos, 2002).
Para Ormond (2006) a biomassa é caracterizada pela matéria vegetal
provenientes das florestas ou matéria orgânica não fóssil de origem biológica.
Todo material orgânico é definido como a biomassa proveniente dos
vegetais, ao qual este deriva de uma reação fotossintética com os componentes do
gás carbônico, água e luz solar, no qual acumula fração de energia solar nas
ligações químicas de seus elementos (SOUZA; SORDI; OLIVA, 2002).
Como um resíduo proveniente de várias fontes agrícolas e florestais, pode
ser utilizada para a produção de energia no aquecimento, na geração de
32
eletricidade ou para o combustível de transporte, mais conhecido como
biocombustível, (GREENPEACE, 2010).
Werther et al (2000), materiais com potencial de alta energia interna
acumulada na biomassa são: Resíduos agrícolas com 33% de representação,
como bagaço de cana, casca de arroz e casca de café. Já os resíduos florestais
com representatividade de 65% no país, possui um potencial energético são:
serragem, lascas de madeira e cascas em um todo.
As pesquisas de Mckendry (2002), nas últimas décadas a energia
proveniente da biomassa existem inúmeros fatores como a tecnologia que
facilitaram a conversão da biomassa com menor custo e com a melhor eficiência.
A outra causa é pelo setor agrícola que potencializou a sua produção alimentícia
em quantidades excedentes, proporcionando vários resíduos dessa produção ao
qual pode ser processada a fins energéticos.
Vem sendo desenvolvidas nas últimas décadas uma nova técnica da
substituição do carvão mineral, por carvão derivado de biomassa seca de capim
elefante, está sendo direcionadas as características de se obter da planta para a
produção de carvão (Quesada, 2001).
Surge, então, no contexto atualizado a importância da necessidade de um
novo sistema alternativo energético, proveniente das energias renováveis, vegetais
e limpas no âmbito de readequação ambiental. Assim caracteriza-se de biomassa,
uma energia que está com potencial a ser utilizado e localizado extensivamente
nos trópicos, ao contrário dos combustíveis fósseis (Vasconcellos, 2002, p.17).
Para fins energéticos a utilização da biomassa se faz necessário verificar a
qualidade matéria prima em questão, necessitando o conhecimento da composição
química (elementar e imediata), poder calorífico líquido, poder calorífico superior,
poder calorífico inferior, umidade, teor de cinzas e densidade da biomassa
(CIOLKOSZ, 2010; NOGUEIRA; NOGUEIRA; ROCHA, 2005; SANCHES, 2010).
Os organismos fotossintetizantes armazenam energia solar em dois
processos: fotoquímico no qual ocorre a absorção da intensidade da luz e o
transporte de elétrons, já na fase bioquímico ocorre à captação de gás carbônico e
formação de compostos com carbono e a absorção da energia a partir da luz nas
ligações químicas das moléculas geradas. Assim as formas das plantas
absorverem o CO2 são pelos ciclos C3 e C4 (TAIZ, ZEIGER, 2004).
33
O metabolismo C3 é viabilizado metabolicamente do ciclo de Calvin ou ciclo
redutivo das pentoses fosfato, ou seja, a fixação é realizada no carbono com
composto com mais três carbono, o gliceraldeido-3 fosfato, no estroma dos
cloroplastos. Por serem em um mesmo espaço, as enzimas que fazem parte do
processo fotossintético, na fotorrespiração das células das plantas C3, ocorre uma
competição por sítios proteicos, o que reduz a fixação do CO2, (TAIZ; ZEIGER;
2016).
No ciclo C4 é caracterizado ao metabolismo fotossintético do carbono em
algumas plantas como a espécie do capim elefante Pennnisetum ssp. Pois a
fixação do CO2 ocorre nas células do mesófilo e a sua redução nas células da
bainha do feixe vascular, separadamente favorecendo a sua eficiência na fixação
do CO2. A carboxilação produz um composto com quatro carbonos o oxaloacetato
que se converte em aspartato ou malato (TAIZ; ZEIGER, 2016).
3.4.2 Caracterização da Biomassa
Tudo se inicia a partir da ação da fotossíntese e suas características
secundárias. Assim atrás da transformação energética da radiação solar, elas
armazenam a energia química e ela pode ser liberada por combustão. Esta
transformação pode ser utilizada para qualquer fim de necessidade energética,
(NOGUEIRA; LORA, 2003).
Assim é o processo que verifica a escolha de conversão e as dificuldades
de processamento subsequentes que corresponde a uma série de procedimentos
físico-químicos pelos quais a biomassa é submetida, a fim de se determinar suas
características relevantes para se distinguir o seu potencial no mercado
consumidor. As características que podem ser analisadas como: poder calorífico,
teor de sais minerais, resíduos de evaporação, teor de umidade, teor de voláteis,
teor de cinza, teor de carbono fixo. Mas também se deve verificar o seu conteúdo
energético, a aplicação e as condições de utilização, e o tipo mais adequado de
equipamento a ser utilizado.
34
3.4.2.1 Estrutura da Biomassa
A estrutura é composta pela mistura de hidrocarboneto e oxigênio em sua
composição química molecular e é desigual aos combustíveis derivados do
Petróleo. A presença do átomo de oxigênio favorece a biomassa adquirir menos
oxigênio do ar atmosférico em sua reação, sendo assim menos poluente, porém
esse balanço deve ser equilibrado, pela quantidade em que o mesmo libera é
menor também em relação aos combustíveis fósseis, pois a energia proveniente da
Biomassa é menos poluente e também com menor Poder Calorífico Superior
(NOGUEIRA; RENDEIRO, 2008).
Os principais componentes estruturais da biomassa vegetal são a celulose,
lignina e hemicelulose, sendo que a variação de concentração da celulose é entre
40% à 50% e a lignina é de 25% e a hemicelulose na faixa 20-40%. Com esta
estrutura ela é um vegetal considerado como um resíduo ligno-celulósico
(MARTINI, 2009).
De acordo com Abbasi (2010), mesmo com essas três estruturas variáveis
de celulose, hemicelulose e lignina, a biomassa apresenta ainda outras
quantidades menores de produtos orgânicos e inorgânicos, favorecendo o
desenvolvimento de métodos da geração de combustíveis mais eficientes.
3.4.2.2 Propriedades Físicas da Biomassa
Para se identificar as propriedades físicas da biomassa é necessário verificar
o teor de umidade, a densidade, a massa específica e a porosidade. Pode-se
caracterizar também a quantidade de energia que pode ser gerada (Nogueira,
2007).
3.4.2.3 Massa Específica
Ela possui divisão em suas especificações em que pode ser em massa
específica ou massa específica aparente. Assim a massa específica é a relação
entre a massa contínua de biomassa pelo volume que este mesmo ocupa em todo
o corpo.
35
Os dados de Nogueira (2008), quando a matéria possui uma continuidade,
a mesma representa a massa específica aparente. Mas para certos resíduos esta
consideração não se aplica, pois possui inúmeros pedaços do mesmo material
ocupando o mesmo volume.
É a característica física intensa da matéria, ou seja, independe do tamanho
da porção estudada. Assim é definida como a razão entre a massa de um objeto e
seu volume (VAN WYLEN et al, 2003).
3.4.2.4 Densidade
A correlação direta entre a razão da massa específica da biomassa e da
massa especifica da água, em condições normais de padrão de pressão e
temperatura, (NOGUEIRA, RENDEIRO, 2008).
3.4.2.5 Briquetes
É a utilização da biomassa triturada, em que é compactada em um bloco
cilíndrico de alta densidade composto também por resíduos de madeiras em geral,
como pó de serra, casca de côco, forrageiros em geral, maravalhas, cavacos ou
pedaços de madeira picadas, sem o uso de aglutinantes (GENTIL 2008).
Para obter um maior resultado do aproveitamento dos resíduos
lignocelulósicos o sistema de briquetagem é um processo para aumentar a
densidade da matéria prima e consequentemente aumentar o potencial energético
da biomassa, pois quando a densidade é baixa a qualidade do material para obter
energia é menor, (PROTÁSIO et al., 2012).
É utilizado na queima, para fins energéticos em fornos, caldeiras,
aquecedores, torradores e outros similares, pois seu poder calorífico é três vezes
maior do que a lenha, cavaco ou biomassas diversas. A biomassa adensada a
pressões de 100 Mega Pascal (Mpa) - ou mais - é denominada briquete quando
seu diâmetro for maior que 30mm. E medidas menores, são denominadas pelets
(ALAKANGAS, 2006).
36
3.4.2.6 Análise Imediata
A biomassa possui elementos químicos elementares como: Hidrogênio (H),
Carbono(C), Enxofre(S), Oxigênio (O), Nitrogênio (N), e Cinzas (A) e que este
possui conjuntamente Potássio (K), Fósforo (P) e Cálcio (Ca) (CIOLKOSZ, 2010;
NOGUEIRA; NOGUEIRA; ROCHA, 2005).
Na biomassa podem-se quantificar os teores de umidade, carbono fixo e
voláteis presentes no vegetal. O Teor de Umidade - TU, equiparado em
porcentagem %, é o fator que influencia sobre a combustão, ou seja, na queima de
materiais (SOUZA, 2010).
As transformações de energia a partir da biomassa, pela combustão direta,
visa o desenvolvimento sustentável e menor impacto ao meio ambiente. Assim as
conversões termoquímicas, como a gaseificação, pirólise, a combustão direta,
abrangem por mais de 96% da produção mundial de Bioenergia (DEMIRBAS,
2004).
3.4.2.7 Teor de Umidade
É a quantidade de água presente na biomassa vegetal, sendo assim um
peso relevante para o material recém-colhido, assim ele é em alto grau o material
que compõem efetivamente a quantidade total da biomassa, (ALEXANDRA;
MARIA; BOGDAN, 2010). Porém para que ela seja útil à combustão, deve ser
retirada a água do material, para que o teor de umidade da biomassa torne um
potencial importante para a geração energética da mesma, (QUIRINO et al, 2004;
ALEXANDRA; MARIA; BOGDAN, 2010;).
McKendry (2002), o teor de umidade possui variações em suas formas como:
intrínseca no qual o material não possui influência climática e a umidade extrínseca
já sofre alteração nas condições meteorológicas durante a colheita da biomassa.
Para obter melhor eficiência energética, deve-se analisar o teor de umidade
presente na biomassa, pois ela pode interferir no poder calorífico inferior (PCI), que
está diretamente ligado, pois este diminui com o aumento da umidade (CALEGARI
et al 2005 & NOGUEIRA, 2007).
37
3.4.2.8 Teor de Voláteis
Pode-se concordar com Mckendry (2002), o poder de ignição está
intimamente ligado ao teor de voláteis, onde é a parte da biomassa evapora como
um gás pelo seu aquecimento. O teor de voláteis dimensionado pela fração de
massa que volatiliza durante o aquecimento em atmosfera inerte, atingindo
temperaturas aproximadas de 800ºC. Assim quando a biomassa é retirada da
mufla, só ficam apenas os carbonos fixo e as cinzas (NOGUEIRA, 2007).
3.4.2.9 Teor de Cinzas
A quantificação de substâncias inorgânicas composta na biomassa é o teor
de cinzas. Para que possa determinar o tipo de tratamento dos resíduos, bem como
a manutenção inserida nos equipamentos que são utilizados no sistema e inseridas
na mufla e por diferença de massa quantifica-se o teor de cinza, (GOMEZ et al.,
2000; FEITOSA NETTO et al., 2006;)
3.5 PODER CALORÍFICO
Pode se dizer que a quantidade de calorias liberadas por uma combustão
completa de um material é determinada pela análise do poder calorífico (QUIRINO,
2011).
O poder calorífico subdivide em dois patamares o poder calorífico superior e
o inferior. Quando se diz poder calorífico superior, isto se refere segundo Van Wylen
(1998); Nogueira (2007) e Klautau (2008), ao calor liberado, a quantidade máxima
de energia de um combustível. E essa energia pode ser quantificada por dois
métodos: pela bomba calorimétrica ao qual se insere várias quantidades de
biomassa dentro da bomba, pois através disso é possível relacionar o PCS de uma
biomassa com a quantidade de ligações químicas. Assim verificando a fração
mássica dos componentes da biomassa, é possível calcular o PCS.
Já o Poder Calorífico Inferior (PCI), segundo o Calegari (2005), é
quantificada no calor liberado quando a combustão possui a água no estado de
vapor. O PCI é calculado referente ao resultado do PCS, considerado o teor de
38
umidade que está presente no combustível, esta análise demonstra a qualidade do
combustível.
Com todas essas informações do potencial estimado, para as diversas
formas de quantificar o potencial energético, o Capim Elefante também possui um
aliado na forma de elevar a absorção deste carbono disponível na utilização da
palha seca e na confecção de briquetes.
Pois esse tipo de método de utilizar a biomassa, teve origem no início do
século XX na Europa. Já com a tecnologia, atualmente todos os tipos de biomassa,
podem ser utilizados e reutilizados na cogeração de energia, à partir da
briquetagem, na qual é uma forma de concentrar o seu material energético, pois o
capim elefante que tem pouca densidade, desfavorecendo o custo benefício em
seu transporte. Assim ela pode ser comprimida em alta pressão, aumentando a sua
densidade, assim podendo ser utilizado como uma lenha ecológica e substituir a
utilização do gás, do carvão vegetal e da energia elétrica, bem como outros
combustíveis utilizados em diversas indústrias.
Pode-se verificar qual o rendimento da briquetadeira por extrusão, na qual é
obtida com 5% ou menos de umidade do produto, assim a matéria prima é
introduzida na parte central do equipamento matriz, em que o mesmo sofre intensa
pressão e atrito com temperatura elevada acima de 240ºC, fluidificando este
composto e favorecendo o conjunto a se tornar mais compacto.
No término do processo o material resfria naturalmente, solidificando e
resultando em um briquete. Após esse processo este material torna resistente a
umidade e aumenta a sua resistência mecânica, pois a lignina solidificada
proporciona essa característica final. Assim o briquete pode apresentar as
seguintes propriedades como demostrado na Tabela 4, (Briquetes no Brasil, 1999).
Tabela4: Propriedades de um briquete
PROPRIEDADES DO BRIQUETE
DENSIDADE 1200 à 1400 kg/m3
CONSUMO 50 à65 Kwh/t
PRODUÇÃO 800 à 1250 Kg/h
P.C.I 4900 kcal/kg
VOLÁTEIS 85%
CINZAS Menor que 1%
Fonte: Briquetes no Brasil, 1999
39
Outro potencial similar ao briquete é a fabricação de Pellets, com a mesma
finalidade, porém com granulométrica menor, com formato cilíndrico e dimensões
que vão entre 6 e 8 milímetro de diâmetro e com comprimentos entre 10 á 40 mm.
Diante de toda a condição relatada objetivou-se em relação à utilização da
matéria prima da biomassa para a sustentabilidade na geração de energia
renováveis, pois elas favorecem a diminuição de matérias primas com maior
potencial poluidora. E o custo benefício de utilizar a biomassa dentre outros o capim
elefante oferece maior produtividade em menor área.
3.6 ENERGIA DE ATIVAÇÃO
As análises térmicas e os estudos cinéticos são mais efetivos com a
utilização de programas computacionais para eventos físicos e químicos,
conjuntamente com as técnicas de análise térmica. A velocidade da reação possui
um princípio que determina os parâmetros cinéticos pela Temperatura (T), Tempo
(t), conversão (α), possuindo variáveis modelos matemáticos para a determinação
dos parâmetros cinéticos, na ordem da reação e conversão (Braga et al., 2012).
40
4. METODOLOGIA
O presente estudo foi realizado no Laboratório da Engenharia Química da
Universidade Estadual do Oeste do Paraná - Unioeste, Campus de Toledo-PR.
As análises foram realizadas no laboratório para averiguar as quantificações
do potencial energético da matéria prima proveniente do capim elefante, através de
pesquisas exploratórias, foi realizado um levantamento comparativo da quantidade
de energia gerada do capim elefante como a fonte de energia, como combustível
para gerar energia elétrica previamente cadastrada pela Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL).
Visando essa comparação das biomassas, compete ao setor energético,
promover a utilização da matéria prima que seja mais favorável a cada região.
A viabilidade técnica e econômica do Capim Elefante foi efetuado o
levantamento da quantificação do poder de combustão à partir de análises do capim
e em relação ao Eucalipto. Essas análises foram quantificadas por equipamentos
que aferem os seguinte análises imediata como: o poder de combustão, as
propriedades físicas, químicas e térmicas dos materiais lignocelulósicos,
Composição química elementar (Carbono; Hidrogênio e Nitrogênio); Composição
química imediata (Umidade; Materiais voláteis; Carbono fixo e Cinzas), Densidade
desta massa seca do Capim Elefante e a análise Termogravimétrica (TGA).
Foi realizada a coleta do Capim no Sítio Santa Luzia, no município de São
Pedro do Iguaçu – PR., em dias ensolarados, pois facilitou a desidratação da
biomassa do capim elefante, foi estendido no chão e condicionado (exposta ao sol
pleno), fez-se a sua pré - secagem manualmente sem equipamento de apoio, para
fins de preparação de amostras laboratoriais.
Em grandes quantidades ela foi realizada em cortes menor da biomassa,
predispondo-a ao sol pleno, realizou suas posteriores movimentações (viragens),
assim favoreceu as folhas ficarem mais soltas e secas, e sua coleta.
Para a qualificação das análises imediata da biomassa in natura, foi utilizada
a metodologia citado por Nogueira e Rendeiro (2008).
41
4.1 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE UMIDADE
Ao adquirir as amostras, os mesmos foram inseridos em um cadinho, pesou-
se uma quantidade de capim elefante (M1), que foi inserido em uma estufa Figura
7 na temperatura de 100ºC (+- 10 ºC) até massa constante determinada de M2. O
teor de umidade (TU) é dado pela equação 1.
𝑇𝑢 = 𝑚1 − 𝑚2
𝑚1 . 100 (1)
Onde:
Tu = Teor de Umidade;
m1 = Massa Inicial;
m2 = Massa final;
Figura 7: Estufa para secagem em 105ºC. Fonte: Próprio Autor (2017).
4.2 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE VOLÁTEIS
Após realizar as quantificações do teor de umidade, pegou-se a mesma
matéria da amostra do teor de umidade (Tu) e foi colocada em uma mufla à 850±
10ºC por um período de sete minutos dentro da mufla.
42
Após o tempo determinado à biomassa em análise foi resfriado em um
dessecador, como demonstra na Figura 8, ao qual o mesmo foi pesado e obtido
mais uma massa M3. Assim foi quantificado o Teor de Voláteis pela equação 2:
𝑇𝑣 = 𝑚2 − 𝑚3
𝑚2 . 100 (2)
Onde:
Tv = Teor de Voláteis;
m2 = Massa final do teor de umidade;
m3 = Massa final após ter inserido na mufla;
Figura 8: Mufla e o Dessecador. Fonte: Próprio Autor (2017).
4.3. DETERMINAÇÃO DO TEOR DE CINZAS
Com as mesmas amostras dos Tu e Tv, já sem umidade e voláteis, foi
inserida a mesma biomassa na mufla a uma temperatura de 710 ± 10ºC como
demonstra na Figura 9, por um tempo de uma hora, porém subdividida essa hora
em (meia hora com a porta meio aberta e a outra restante meia hora com a porta
da mufla fechada). E foi calculado pela equação 3:
𝑇𝑐 = 𝑚3 − 𝑚4
𝑚4 . 100 (3)
43
Onde:
Tc= Teor de Cinza
m3 = massa inicial;
m4 = Massa após inserido na mufla.
Figura 9: Mufla aberta no período de 30 minutos. Fonte: Próprio Autor (2017).
4.4 DETERMINAÇÃO DO TEOR DE CARBONO FIXO
E para a última análise do Teor de Carbono Fixo, utilizou os seguintes Teores
para a quantificação do mesmo (equação 4):
𝑇𝑐𝑓 = 100 (𝑇𝑣 + 𝑇𝑐) (4)
Onde:
Tcf = Teor de Carbono Fixo;
Tv= Teor de Voláteis;
Tc= Teor de Cinza.
4.5 PODER CALORÍFICO SUPERIOR
Para esta análise, os ensaios forem realizados de acordo coma a norma
ABNT - NBR 8633/84, no laboratório da Universidade Estadual do Oeste do Paraná
– Campus de Cascavel- Pr. Foi utilizada uma bomba calorimétrica do modelo (e2k)
44
no qual quatro gramas (4 g) de amostra foram pesadas, previamente secas, e
dispostas em um cadinho metálico para a determinação do poder calorífico
superior.
A amostra foi inserida em um recipiente de metal e fechada, sob alta pressão
de (30 atm) em atmosfera de oxigênio (Figura 10). O recipiente de metal com
oxigênio foi inserido dentro da bomba calorimétrica com parede dupla e a ignição
realizada com a tampa fechada.
Após esse processo de queima, despressurizou-se a bomba lentamente, e
posteriormente verificou-se no interior da mesma a combustão efetivada. Em
seguida observou-se no painel do equipamento o resultado obtido em (Mj/kg).
Figura 10: Bomba Calorimétrica utilizada. Fonte: Próprio Autor (2017).
45
4.6 QUANTIFICAÇÕES DO PCI (PODER CALORÍFICO INFERIOR)
Refere-se em função da massa obter 0% de umidade, pois calculou à partir
do PCS, sendo determinado pelos cálculos, pois os calorímetros não permitem a
medição simultânea dos vapores.
Os valores utilizados são referentes à massa em base seca, utilizando a
equação 5:
Onde:
𝑃𝐶𝑖 = 𝑃𝐶𝑠 − 600.9. (𝐻
100)
(5)
PCi = poder calorífico inferior (kcal/kg);
PCs = poder calorífico superior (kcal/kg);
H = teor de Hidrogênio (%).
4.7 CONFECÇÕES DOS BRIQUETES
Triturou o capim já seco até uma granulometria de 2 mm e o mesmo foi
inserido na briqueteira continuamente, para que a máquina não sofra sobrecarga,
conjuntamente com a quantidade do volume a ser injetada para cada briquete, pois
deve ser regulado conforme a capacidade da máquina prensa extrusora de pistão
mecânico como na Figura 11, condensando a matéria prima seca, transformando
em um briquete ou pallet, (QUIRINO, 2005; ABREU, 2005).
46
Figura 11: Prensa extrusora de pistão mecânico
Fonte: Próprio autor (2017).
4.7.1 Densidade dos Briquetes
Um dos melhores itens a ser caracterizado é o processo de analisar a sua
densidade relativa aparente por meio do método estequiométrico que consiste em
obter o volume à partir de medições, com o apoio de um paquímetro e uma balança
de precisão em 5 mg e as densidades foram calculadas à partir da massa e das
medidas dos volumes dos briquetes como demonstra a Figura 12 (Tavares e
Santos, 2013).
47
Figura 12: Volume do briquete em relação ao volume normal in natura.
Fonte: Próprio autor (2017).
Os autores Tavares e Santos (2013), após as amostras de capim elefante
seco em campo, foram quantificado certo volume e foi inserido em uma estufa de
circulação forçada a 65⁰C, durante um período de 8 horas. Utilizou uma
briquetadeira industrial com uma capacidade de pressão em 9902 kgf, a uma
temperatura de 120⁰C, por 6 minutos e outro tempo para resfriamento em média de
5 min.
As confecções de briquetes que podem ser realizados à frio, adicionando um
aglomerante, para sua melhor aderência à compressão das partículas. E estes
componentes que favorecem a junção podem ser líquidos, sólidos e insolúveis e
solúveis em água, (CETEM, 2011).
4.8 QUANTIFICAÇÕES DO CUSTO DE PRODUÇÃO DA BIOMASSA
Para colher a biomassa de capim elefante, necessita de um gasto
energético, deve ser quantificado o balanço energético do mesmo.
O cálculo é baseado por hectare e da quantidade de equipamento a ser
adotado para o manejo da extração da matéria prima segundo os trabalhos da
EMBRAPA (YOKOYAMA et al., 1995). O custo foi adotado a taxa de juros selic de
14, 25% (Banco Central do Brasil, 2016), com o valor do combustível de óleo diesel
de (R$ 2,45), dados da Agência Nacional do Petróleo (2015) e a mão de obra foi
48
verificado no Salariômetro, organizado pela FIPE (2016), do piso salarial em
Novembro de 2015 foi de R$ 1.057,00 por mês.
Os valores dos equipamentos foram calculados na metodologia de custo de
produção do cultivo do Capim elefante para a fabricação do briquete na CONAB
(2010), como se pode verificar na Tabela 5.
Tabela 5: Custo do cultivo do capim elefante para a produção do briquete
CUSTO DO BRIQUETE DE CAPIM ELEFANTE
Secagem Solar Secagem Induzida artificial
Equipamento/Usina Custo (R$/ha) (R$) ano (R$) ano
Caminhão caçamba 834.54 139.684,47 172.795,45
Forrageira + Trator 266,99 44.689,06 55.282,21
Ancinho + Trator 28,27 4.732,57 -
Distribuidor de Calcário 25,96 4.345,01 5.374,96
Grade aradora 23,93 4.005,08 4.954,45
Plantadora + trator 299,89 50.195,83 62.094,30
Briquete (Induzida) 802,66 ---- 166.195,88
Briquete (Solar) 384,60 64.380,02 ----
Toletes 6.060,60 144.917,55 179.268,98
Parcial 456.949,59 645.966,22
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
O custo dos equipamentos deve ser levado em conta pelo processo
realizado do início do plantio à colheita e até o seu produto final.
Insumos Quantidade/ha R$/Kg (R$) ano (R$) ano
Adubo Superfosfato Simples
400 Kg 1,17 11.230,72 13.892,86
Adubo 20,5,20 (N,P,K) 600 kg 1,63 163.813,07 202.643,51
Calcário 1598 kg 0,38 14.328,92 17.725,46
Análise de Solo 1 22,00 526,05 650,75
Parcial 189.898,75 234.912,58
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
Cada valor final dos insumos são demonstrados pela soma do processo final
de sua secagem.
Aluguel R$/unidade Quantidade (R$) ano (R$) ano
Terra arrendada 850,00 ha --- 142.272,94 175.997,49
Pátio de secagem arrendado
850,00 ha --- 2.550,00 ---
Galpão (Induzida) 252,36 m2 600 --- 151.416,00
Galpão (Solar) 252,36 m2 300 75.708,00 ---
Parcial 220.530,94 327.413,49
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
49
Energia Quantidade Custo (R$/kWh) (R$) ano (R$) ano
Briquete (Induzido) 120 Kw/th 0,51 ---- 688.555,02
Briquete (Solar) 48,3 Kw/th 0,51 293.845,40 -----
Parcial 293.845,40 688.555,02
TOTAL Secagem Solar Secagem Induzida artificial
Total (R$) 1.161.224,68 1.896.847,31
R$/ton 96,77 167,48
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
O custo para se produzir os briquetes provenientes do capim elefante e do
eucalipto, observa-se a divergência dos custos segundo a Tabela 6 demonstrada
(MAZZARELLA et al.,2015), assim com o menor custo e impacto ambiental o capim
elefante torna-se vantajoso em relação ao eucalipto.
Tabela 6: Custo do cultivo do Eucalipto para a produção do briquete
Custo do Briquete de Eucalipto
Secagem Solar Secagem Induzida artificial
Equipamento/Usina Custo (R$/ha) (R$) ano (R$) ano
Caminhão caçamba 304,16 92.042,05 113.859,81
Forrageira + Trator 450,48 136.318,43 168.631,952
Ancinho + Trator 15,64 4.732,57 ----
Distribuidor de Calcário 25,96 7.855,39 9.717,44
Grade aradora 23,93 7.240,83 8.917,20
Plantadora + trator 299,89 90.749,9 112.260,85
Briquete (Induzida) 880,60 --- 329.642,25
Briquete (Solar) 469,04 141.873,96 ----
Parcial 480.873,96 743.069,07B
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
Insumos Quantidade/ha R$/Kg (R$) ano (R$) ano
Adubo 06-30-06 300 1,17 51.921,43 64.228,95
Adubo 19-00-19 250 1,53 38.562,31 47.703,16
Calcário 1500 0,38 56.718,94 70.188,41
Herbicidas 5,5 30,00 16.643,42 20.588,60
Formicidas 11 12,00 13.314,74 16,470,88
Mudas 7334 0,59 436.079,50 539.448,30
Análise de Solo 1 22,00 2.219,12 2.745,15
Parcial 615.479,46 761.373,45
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
Aluguel R$/unidade Quantidade (R$) ano (R$) ano
Terra arrendada 850,00 --- 257.216,54 318.187,46
Pátio de secagem arrendado
850,00 --- 850,00
Galpão (Induzida) 252,36 600 --- 151.603,46
Galpão (Solar) 252,36 300 75.708,00
Parcial 220.530,94
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
50
Energia Quantidade Custo (R$/kWh) (R$) ano (R$) ano Briquetagem (Induzida)
120 KW/th 0,51 ----
Briquetagem (Solar) 48,3 KW/th 0,51 293.845,40
Parcial 293.845,40 469.603,46
Total Secagem Solar Secagem Induzida artificial
Total (R$) 1.723.973,36 2.723.815,83
R$/ton 143,66 220,86
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Máquinas Ltda, 2015.
Os valores obtidos para a secagem solar e artificial, o capim elefante é
favorável nas duas ações, comparando em relação quando se aplica o mesmo
método de secagem em eucalipto. Verificando também a menos necessidade e
espaço em relação à área de produtividade, valorizando um menor custo logístico
dessa matéria prima.
Para que o produto final obtenha um valor agregado, necessita transformar
a matéria seca em um briquete, necessitando de um triturador de folhagem.
Já a briquetagem possui um custo variável, dependendo da qualidade e do
tipo do capim ao qual será inserido. Uma estimativa de uma empresa quantifica o
custo de se produzir um briquete na Tabela 7.
51
Tabela 7- Custo de fabricação de um briquete
Viabilidade Econômica de Usinas de Briquetagem, considerando uma jornada de 8horas de
trabalho por dia durante 26 dias por mês.
Capacidade produtiva
dos equipamentos 1,1 Toneladas/hora 2,0 Toneladas/hora
Produção Mensal 215 Toneladas 391 Toneladas
Produção estimada em
10 anos 25.809 Toneladas 46.925 Toneladas
Tipo de Resíduo
SERRAGEM
DE MADEIRA
SECA
SERRAGEM DE
MADEIRA ÚMIDA
SERRAGEM DE
MADEIRA SECA
SERRAGEM DE
MADEIRA
ÚMIDA
Equipamentos
necessários
Briquetadeira
B85/210 e
acessórios
Briquetadeira
B85/210,
Secador
B12000 e
acessórios.
Briquetadeira
B95/210R e
acessórios
Briquetadeira
B95/210R,
Secador
B18000 e
acessórios.
Área coberta necessária 6mx15m =
90m2
20mx26m =
520m2 6mx15m = 90m2
20mx30m =
600m2
Funcionários por Turno 2 3 2 3
Potência instalada 53Kw 90Kw 85Kw 134Kw
Potência consumida 39Kw 63Kw 60Kw 94Kw
Custo com depreciação
dos equipamentos
R$
10,32/Ton R$ 31,36 /Ton R$ 6,71/Ton R$ 21,72/Ton
Custo com mão de obra R$
23,25/Ton
R$ 46,50/Ton R$ 12,79/Ton R$ 25,57/Ton
Custos com
manutenção
R$ 8,80/Ton R$ 13,20/Ton R$ 5,08/Ton R$ 7,62/Ton
Custos com Energia
Elétrica
R$
25,30/Ton
R$ 43,91/Ton R$ 22,31/Ton R$ 34,39/Ton
CUSTO TOTAL R$ 67,67/Ton R$ 134,97/Ton R$ 46,89/Ton R$ 89,30/Ton
Em termos de poder calorífico, 1 tonelada de briquetes equivalem a cerca de 5m3 de Lenha.
Fonte: Empresa Biomax Indústria de Maquinas Ltda, 2015.
4.9 ANÁLISES TERMOGRAVIMÉTRICA
Esta análise de Termogravimetria (TG) quantifica a alteração da massa da
amostra em relação à função da temperatura e ou do tempo, (CAVALHEIRO, 2005).
O equipamento possui um forno ao qual tem uma balança que permite a
programação da velocidade de aquecimento, assim o computador quantifica os
dados de perda de massa durante o procedimento de aquecimento. O controle da
temperatura é realizado pelo sistema do forno elétrico, que envolve a plataforma.
Os resultados são apresentados em forma de curvas termogravimétricos, com as
variações de massa em função da temperatura ou tempo (CIENFUEGOS,
VAITSMAN, 2000).
52
Para que não tenha uma decomposição da amostra pela temperatura,
normalmente utiliza-se um gás com vazão conhecida com nitrogênio. Esse gás
possui a funcionalidade de remover os produtos volatilizados durante o
procedimento da análise, garantindo uma atmosfera constante, (VOGEL, 2008).
Fez-se análise termogravimétrica não isotérmica, em 4 taxas de
aquecimento sendo elas de 5, 10, 15 e 20ºC por minuto. Utilizou-se ar sintético
nessa análise, a fim de garantir um ambiente constante durante o experimento
(VOGEL, 2008).
53
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Pelos levantamentos realizados referentes ao assunto, pode-se adquirir
dados sobre Teor de Umidade, Teor de Material Volátil, Teor de Cinza e Teor de
Carbono Fixo das folhas do capim elefante.
Os resultados obtidos devem possuir a seguinte leitura, em primeiramente
para a análise da biomassa in natura; segunda para os componentes já
carbonizados e posteriormente as comparações dos resultados. Os resultados
desses Teores são mostrados na Tabela 8.
5.1 ANÁLISES IMEDIATA DA BIOMASSA IN NATURA
Os resultados obtidos do teor de umidade, do teor de material volátil e do
teor de cinzas, do resíduo foliar do capim elefante e do colmo são apresentados
nas Tabelas 8 e 9.
Tabela 8: Análise da folha
Folha Capim Velho- Ponto 1 Capim Novo Ponto 2
Teor de Umidade (%) 9,1±0,21 10,2 ± 0,36
Teor de Volátil (%) 81,7±2,27 80,43 ± 2,58
Teor de Cinza (%) 27,2±1,13 28,2 ± 1,13
Poder Calorífico (kJ/kg) 15,2 13,6
Teor de Carbono fixo(%) 51,7±0,49 44,5 ± 0,70
Fonte: Próprio autor (2017).
Tabela 9: Análise do Colmo
Colmo Capim Velho- Ponto 1 Capim Novo Ponto 2
Teor de Umidade (%) 8,1 ± 0,63 7,65 ± 1,06
Teor de Volátil (%) 88,05 ± 2,05 88,9 ± 1,48
Teor de Cinza (%) 67,3 ± 5,23 78,2 ± 28,5
Poder Calorífico (kJ/kg) 3,89 3,89
Teor de carbono fixo (%) 79,3 ± 7,2 78,75 ± 15,2
Fonte: Próprio autor (2017).
5.1.1 Determinação do Teor de Umidade
Para o teor de umidade do capim velho e do novo, não demonstraram
diferença nos resultados, porém no tempo de secagem dentro da estufa. Pois na
primeira análise realizada as amostras ficaram 24 horas a 100ºC dentro da estufa,
54
já a segunda análise foi utilizada em um tempo médio de 3 horas, sendo um período
de secagem dentro da estufa foi estipulada a secagem quando a estabilização da
massa era analisada na balança a cada hora até a sua estabilização no seu
pesagem.
O alto teor de umidade na biomassa do capim, o mesmo prejudica na
realização na combustão deste capim, desfavorecendo a queima da biomassa.
Assim este material deve ser preparado para que não haja tanta umidade em sua
matéria seca. Pois caso haja um teor maior na biomassa, o mesmo deve ser
eliminado no ato da queima, porém isto gera um gasto energético, desfavorecendo
a economia de energia gasta para secar e evaporar a água do material, pois o ponto
de fulgor é diretamente proporcional para a ignição da queima do capim. Assim este
material deve ser utilizado bem seco, com teor de umidade.
Conjuntamente com Brand (2011) e Klautau (2008) descrevem que o
acúmulo de umidade prejudica a queima da biomassa, reduzindo o poder calorífico.
Dependendo da alta quantidade de umidade presente no material a ser
queimado, há um aumento na quantidade de material particulado, acelerando a
corrosão na parte onde finaliza o gerador devido ao aumento de fuligens (material
particulado) do processo da péssima combustão (Brand, 2011). Ficou evidente que
a quantidade de umidade é um fator limitante na qualidade da combustão da
biomassa, assim a escolha de materiais a ser utilizado, deve ter valores abaixo de
50% para possuir uma quantidade de calor suficiente liberada (KLAUTAU, 2008).
O colmo onde é a parte que sustenta a planta, por possuir mais fibra, obteve menor
umidade de retenção.
5.1.2 Determinação do Teor de Voláteis
Por aquecimento a biomassa se degrada evaporando um gás com a
umidade, quantificando assim o teor de voláteis, dimensionando por parte de fração
que volatiliza durante esse aquecimento da amostra padronizada e estritamente
seca, (Mckendry, 2002).
Na análise realizada, pode-se observar que a variância indicou que o teor de
material volátil do capim elefante é maior quando o teor de umidade é menor, tanto
para a folha quanto para o colmo, pode-se verificar que esta proporção afeta
diretamente no teor de voláteis. Esta observação poderá verificar no ponto 1A
55
(capim velho) em relação ao ponto 1B (capim novo), pois realizando essa leitura
nos demais pontos pode-se inferir que a quantidade de umidade afeta diretamente
no teor da volatilização.
5.1.3 Teor de Cinza
Na quantificação do teor de cinzas, as análises de variância, não indicaram
uma variação significativa no teor de cinzas com relação às mudanças dos teores
de umidade e da volatilização, o teor de cinza esteve mantido após sua completa
combustão. Entre os pontos 1 (capim velho) e ponto 2 (capim novo), salienta a
idade do capim elefante, observou que independente do idade o mesmo demonstra
que o teor não se alterou, nas folhas, porém no colmo por ser mais fibroso o teor
de cinza obteve uma porcentagem maior após a queima.
5.1.4 Poder Calorífico
Em análise ao poder calórico, não houve diferença significativa da interação
proporcional de variância do capim novo e capim velho, apresentando valores para
o poder calorífico em uma proporção mediana entre as três análises realizadas.
Nos valores de energia produzida, apresentados pela bomba calorimétrica,
simultaneamente com a energia produzida por ha/ano kcal, pode-se verificar o alto
potencial calorífico do capim elefante, assim como seu elevado valor de energia
produzida por área. Característica esta que comprova à viabilidade de um cultivo
como esse no que se diz respeito à alta produtividade e uma taxa de geração de
calor ideal para diversos setores da indústria.
Neste estudo, para o poder calorífico superior da matéria seca do capim-
elefante encontrou-se o valor de 4.200 kcal/kg. Os valores encontrados na literatura
oscilam entre 4.100 kcal/cal (FLORES, 2009) e 4.298 kcal/kg (VILELA, 2009).
Na biomassa do capim elefante como a concentração de carbono é
aproximadamente 42%, de matéria seca. Para uma produção média de biomassa
seca de capim elefante de 40 t/ha/ano, acumularia um total de 16,8 toneladas de
carbono/ha/ano. Estima-se que uma empresa com 100 ha de capim elefante
sequestraria o equivalente a 1.680 toneladas de CO2/ano, (Vilela 1997).
56
5.1.5 Análise de TGA
Esta análise avalia a perda da porcentagem mássica em relação da
temperatura de degeneração e da evasão de voláteis das amostras que foram
estudadas.
A análise termogravimétrica dos resíduos demonstrou a sua variância de
acordo com a elevação da temperatura e a sua proporcionalidade da degradação
de sua massa durante a queima do capim elefante até a sua estabilização da massa
residual como demonstra as Figura 13.
Figura 13: Análise de TGA do capim elefante, ponto 1.
Fonte: Próprio autor.
A degradação da massa no ponto 1, não obteve diferença em relação as
variações estabelecidas, pois o gráfico demonstra que o capim velho possui maior
estabilidade de queima em relação da degradação de sua massa, onde houve uma
equivalência em sua degradação no final massa a 20% em 900ºC.
No ponto 2, o gráfico demonstra uma variação de degradação das massas
em função da variação das temperaturas (Figura 14). Pode-se inferir um menor
alcance de temperatura na degradação da massa total, quando a variação de
temperatura é de 5ºC e nas variações de 15 e 20ºC obteve uma equivalência na
sua degradação de massa e no aproveitamento de queima de temperatura.
57
Figura 14: Análise de TGA do capim elefante, ponto 2
Fonte: Próprio autor.
No ponto 3 (Figura 15) ao qual o capim é mais novo, essas pequenas
variações crescentes de temperaturas por minuto, constatou ser mais efetivo a sua
degradação em 5ºC por minuto em temperaturas que chegavam ao máximo de
740ºC, em relação de quando a variação de 20ºC por minuto, a degradação
completa necessita de temperaturas finais mais altas.
Figura 15: Análise de TGA do capim elefante, ponto 3. Fonte: Próprio autor.
58
Pode-se observar que em capins mais novos a variação de temperatura por
minuto independe para o seu resultado final, porém já em capim mais velhos essa
variação de degradação obteve maior êxito com variações de 5ºC por minuto em
temperatura final com menos gasto energético.
No que se refere à degradação da biomassa, realiza-se uma leitura
minuciosa em relação ao ponto do decaimento significativo em relação à
temperatura, observou a degradação decai quando a temperatura cresce entre
suas temperaturas que variam de 250ºC à 350ºC, nos três pontos coletados.
5.2 ANÁLISES CINÉTICA DA AMOSTRA DE CAPIM ELEFANTE
A pirólise é simulada à partir das determinações dos parâmetro cinético. Esta
quantificação cinética é verificada através da diferença entre a porcentagem total
da amostra e a quantidade de massa em qualquer tempo vinculado, como demostra
a equação 1.
𝛼 = 100 − 𝑀*𝑡 (1)
Onde: 𝛼 = Pirólise;
𝑀= massa ;
𝑡= tempo.
5.2.1 Método de Isoconversão Flynn Wall Ozawa (FWO), para cálculo de
parâmetros cinéticos.
Um método utilizado para definir os parâmetros cinéticos, era o Flynn Wall
Ozawa, inventado em 1996 por Flaynn e Wall e Ozawa em 1965, ao qual utiliza os
dados termogravimétricos, resolvendo as mudanças com maior exatidão dos dados
no meio de reação dos pontos aleatórios e por heterogeneidade.
Para que o método obtenha bons resultados, os experimentos devem
possuir diversas taxas de aquecimento, pode-se aplicar a isoconverção. Nas
análises quantificadas onde as taxas são constantes, o gráfico se comporta em
uma reta de inclinação que permite um cálculo da Energia de Ativação (Ea). Para
que se realizem os cálculos de inclinação da reta, utilizou-se a equação:
59
Inclinação da Reta = - 0,4567 * 𝐸𝑎
𝑅
A tabela exibe os dados dos parâmetros cinéticos adquiridos pelo método
Flynn Wall Ozawa para o capim elefante.
Tabela 10 - Parâmetros cinéticos para o capim velho
PARÂMETROS CINÉTICOS
CONVERSÃO R2 Ea(KJ/ Mol. K)
0,1 0,9821 154,0975
0,2 0,9876 224,7711
0,3 0,9916 238,8068
0,4 0,9806 268,6986
0,5 0,8654 330,813
0,6 0,9992 246,181
0,7 0,9684 358,8109
Média de Ea 260,3656
Fonte: Próprio autor (2017).
Assim ao analisar as conversões apresentou em sua maioria o coeficiente
de correlação maior que 0,9 pode se perceber que para a conversão 0,7 obteve a
maior energia de ativação com 358,8109 kj/molK. Deve inferir que se alcance uma
maior conversão, deve-se possuir uma maior temperatura, para atingir a maior
energia de ativação.
Para uma comparação dos resultados, foram realizados cálculos dos
parâmetros cinéticos do capim novo como demonstra os resultados na Tabela 11.
Tabela11- Parâmetros cinéticos para o capim novo PARÂMETROS CINÉTICOS
CONVERSÃO R2 Ea(KJ/ Mol. K)
0,1 0,6452 66,73592
0,2 0,6913 109,755
0,3 0,7395 130,5354
0,4 0,7805 140,9703
0,5 0,7558 127,7775
0,6 0,7119 84,86215
0,7 0,8480 53,47757
Média de Ea 102,0163
Fonte: Próprio autor (2017).
Ao contrário das análises do capim velho, percebe - se que a diferença nos
valores obtidos no ponto 2, nos coeficientes de correlatos abaixo de 0,85, porém
pode-se analisar o aumento constante da energia de ativação até o momento da
conversão no patamar de 0.4, porém essa conversão houve uma diminuição após
0,5, esse fator que diferencia as energias de ativação é devido as diferenças de
60
componentes químicos das amostras. Pode - ser explicado pela menor quantidade
de lignina e celulose do capim velho do que um capim mais novo (MUNIZ et al,
2015).
Á partir das análises realizadas e comparando as energias de ativação do
ponto 1 e ponto 2, verifica -se que para os capins mais velhos, foi verificado que a
atingem maior energia de ativação, deve-se prolongar o tempo de plantio. Para
melhor visualização das energias de ativações em relação à conversão dos pontos
1 e 2 são verificados na Figura 16.
Figura 16 - Comportamento da energia de ativação em relação à conversão.
Verificando o gráfico, o capim velho, atingiu o maior patamar da energia de
ativação. Assim ressalta o resultado já esperado.
5.3 COMPARAÇÕES ENERGÉTICA DO CAPIM ELEFANTE E DO EUCALIPTO
Devem-se comparar essas duas biomassas por equivalência de potencial
energético, como termos uma noção do volume, densidade, área tempo de colheita
(ciclo). Pois a biomassa é diretamente proporcional o acúmulo de suas energias
estarem ligado a sua capacidade de absorver energia através da densidade. Pois
os volumes da matéria seca em relação ao sua densidade destinam a produção de
energia da biomassa de cada vegetal, (QUÉNO, LAURENT ROGER MARIE, 2009).
Pelas análises levantadas por CLARICE (2008), os valores relatados na
Tabela 12, esclarece o potencial como fonte energética do capim elefante sendo
melhor no quesito custo benefício, comparando com a utilização do eucalipto. Pois
calculando por hectare plantado, pode-se comparar o eucalipto como: a cada 60
61
tonelada por hectare ao ano de massa seca = 92,82 x 106 kcal, portanto 1 t = 1,55
x 106 kcal, para a mesma área de capim elefante tem-se 80 t/ha/ano de massa
seca = 189,0 x 106 kcal, portanto 1 t = 2,36 x 106 kcal.
Assim mesmo que ambas capturam o carbono atmosférico, no entanto a
produção do capim elefante é ainda melhor na fixação de CO2, no decorrer da
fotossíntese. Esta facilidade é quantificada também pela facilidade do crescimento
do capim elefante, obtendo mais ciclos de colheita, em relação ao do eucalipto,
(PAULINO; FERRARI JUNIOR; ANDRADE, 2006; PEREIRA; NOVA; MOREIRA,
2004).
Tabela 12: Custo benefício do Eucalipto e do Capim elefante.
Avaliações financeiras da lenha de Eucalipto e da Biomassa de Capim Elefante
Tratamentos
Lenha de Eucalipto Capim Elefante Custo Total (R$)
Custo Produção
(t)
Custo/t (R$) Consumo (st)
Custo (R$)
Consumo (m)
Custo (R$)
50% Biomassa x 50% Lenha
9,21 396,03 10,80 97,42 493,45 33 14,95
66% Biomassa x 33% Lenha
4,50 193,50 16,90 152,44 345,94 30,66 11,28
100% Biomassa ------ ----- 24,57 221,62 221,62 28 7,92
100% Lenha 10,20 438,60 ----- ----- 438,60 24 18,28
Fonte: Vilela e Cerize (2008).
Conforme a Tabela 12, os valores mencionados em relação a fontes
energéticas, evidencia o uso do capim elefante como uma melhor alternativa em
comparação com eucalipto, (PAULINO; FERRARI JUNIOR; ANDRADE, 2006;
PEREIRA; NOVA; MOREIRA, 2004).
As amostras estudadas do eucalipto pela Pesquisa Florestal Brasileira 2015,
pelo pesquisador Silva 2015, analisou os valores médios das propriedades da
madeira e seus respectivos características energéticas como demonstra a Tabela
13.
Pode-se inferir que o custo benefício do capim elefante é melhor em relação
à utilização do Eucalipto, pois possui um menor valor de custo e o tempo de cultivo
favorece o ciclo de cada colheita.
62
Tabela 13: Valores energéticos do Eucalipto.
Valores médios, desvio padrão e coeficiente de variação das características da madeira de Eucalyptus benthamii.
Característica Média Desvio Padrão
Coeficiente de Variação
Densidade Básica (g cm-3) 0,471 0,032 6,86
Densidade energética (Mcal m-3) 22, 6,9 164,1 7,43
Poder calorífico Superior (kcal kg-1) 4679,7 116,3 2,4
Poder calorífico inferior (kcal kg-1) 4379,1 116,5 2,6
Teor de Carbono fixo (%) 15,78 1,3 8,82
Teor de materiais voláteis (%) 83,98 1,3 1,64
Teor de Cinzas (%) 0,244 0,15 63,96
Nitrogênio (%) 1,63 0,23 0,14
Carbono (%) 46,68 1,40 0,03
Hidrogênio (%) 5,94 0,20 0,03
Enxofre (%) 0,11 0,10 0,89
Oxigênio (%) 45,64 1,49 0,03
Relação carbono/nitrogênio (C/N) 29,63 4,91 0,17
Relação carbono/hidrogênio (C/H) 7,87 0,14 0,02
Estoque de carbono (kg fuste-1) 56,22 14,54 25,87
Produção energética (kcal fuste-1) 560825,8 119964,8 21,39
Fonte: PFB_ Pesquisa Florestal Brasileira- 2015.
O benefício de comparação entre essas biomassas é mais visível quando
demonstrada a quantificação da geração energética que é produzida em meios
análogos de tempo e área de produtividade, como demonstra a Tabela 14.
Tabela 14: Energia produzida por ha/ano kcal.
Fontes de Energia Energia Produzida
Energia Produzida por ha/ano kcal kcal kW
Capim Elefante 4.200 4,88 189.000.000
Capim Brachiaria brizantha 3.900 4,54 97.500.000
Eucalyptus grandis 4.641 5,37 92.820.000
Fonte: Vilela e Cerize (2008).
Verifica-se na Tabela 14 a energia total gerada pelo capim elefante, no
período de 1 ano, ela produz o dobro em relação do capim e ao eucalipto.
5.4 VOLUME DO BRIQUETE
Foi analisada a quantidade de capim após a fase de trituração das folhas, ao
qual em um béquer obtinha um volume de 100 mililitros (mL). Foi realizada a
fabricação do briquete in natura com um aglutinador seco (Fécula de Mandioca) e
outro a líquido (óleo de soja queimado), porém o briquete que obteve melhor
63
aglomeração foi através do método seco sem óleo. O capim foi para prensa à uma
pressão de 8,157728 kgf/cm2, com o aglutinante de Fécula de Mandioca, durante 3
minutos de compressão com a prensa hidráulica, o capim reduziu o seu volume em
4 vezes no mesmo formato do cilindro e esta redução foi de 0,1 litro para 0,002453
Litros, sem que o briquete desmancha-se.
Por esta capacidade de compreensão o briquete aumenta o potencial de
combustão e logística em um todo, favorece sua segregação e transporte.
Com a compactação na forma de briquete o capim elefante aumenta seu
poder de combustão, pois quando se aumenta a sua densidade, maior a quantidade
de massa é inserida em um mesmo volume de capim para realizar a queima da
biomassa, melhorando a eficiência energética do capim elefante.
64
6. CONCLUSÃO
O capim elefante (Pennisetum purpureum) é uma espécie de rápido
crescimento vegetativo e alta geração de biomassa, possui alto potencial
energético, se comparado a outras fontes de energia renováveis, sendo que a sua
produtividade de massa seca por hectare apresenta valores bem maiores, por
exemplo, se comparado ao Eucalipto. Por ser uma fonte de energia vegetal, permite
que o carbono seja sequestrado da atmosfera, sendo uma cultura passível de
geração de créditos de carbono. Os estudos e pesquisas em busca de viabilidade,
otimização do processo e melhoria genética devem continuar, pois esta é mais uma
possibilidade de geração de energia “limpa”, em um país com características
favoráveis como do clima, solo e extensão de território adequado, fazendo com que
esta fonte de energia possibilite mudanças socioeconômicas na região onde for
implantada.
Assim uma das formas para aperfeiçoar a utilização dessa fonte de energia
é direcionar esta matéria prima de biomassa na fabricação de briquetes e ou pellets
o qual tem potencializado na logística e no comércio durante todo o ano, pois a
manutenção de fabricação desses materiais possui uma regularidade ao longo de
todo o ano, com suas características físicas térmicas inalteradas.
Os estudos de MAZZARELLA (2007), diz que as vantagens comparativas do
capim elefante como produtoras de biomassa em relação às demais fontes são:
maior produtividade (45 t MS/ha/ano); menor extensão de áreas para uma dada
produção; menor ciclo produtivo (dois cortes por ano); melhor fluxo de caixa;
possibilidade de mecanização total; energia renovável e maior assimilação de
carbono.
Pelas análises realizadas a campo, o capim velho (folha), apresentou poder
calorífico maior que o capim velho (folha), porém o poder calorífico do colmo obteve
uma porcentagem quatro vezes menor em comparação ao poder calorífico da folha.
Outro dado analisado é o teor de cinza do colmo obteve três vezes maior a
porcentagem em relação ao teor de cinza das folhas.
Pode-se inferir que o capim elefante estudado, possui um melhor
aproveitamento energético nos capins mais maduros e nas folhas, pois possuem
menor porcentagem de teor de cinza, umidade e maior poder calorífico.
65
O capim Elefante possui um grande potencial para ser utilizado como fonte
de energia renovável no Brasil. E as perspectivas futuras da utilização do capim
elefante na forma de obtenção energética deve ser considerado um potencial para
o Brasil, visto que possui uma matriz energética renovável e com grande
diversificação, assim os estudos relacionados à biomassa conquistam um mercado
cada vez maior.
66
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