COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 174796

Uso de bagaço de cana para finalidades energéticas Ademar Hakuo Ushima

Palestra apresentada no CICLO DE PALESTRAS DE ENGENHARIA MECÂNICA, 2017, Manuá.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Uso de bagaço de cana para finalidades energéticas

MSc. Ademar Hakuo Ushima

Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT

Laboratório de Engenharia Térmica

Gerhard Ett - gett@ipt.br - 15.08.2014

Cana-de-açucar Saccharum spp

280Kg biomassa seca

Cada tonelada de cana 570 kg água 140 kg de bagaço 70 kg de palha no caule 70 kg de palha na ponteira 150 kg de açúcares

Gerhard Ett - gett@ipt.br - 15.08.2014

Produtividade: 70 a 100 tcana/hec/ano; 650 milhões tcana 2016

Esquema geral da produção de açúcar e etanol a partir da cana-de-açúcar

SITUAÇÃO ENERGÉTICA DO SETOR AÇÚCAR E

ÁLCOOL

11 ton. cana

85 l álcool

140 kg bagaço

seco

140 kg palha

seca 0 TEP

0,004 TEP

0,042 TEP

7 %

0 %

0,160

TEP

Autônoma

28,8 % de

aproveitamento

energético

(18,2 % Anexa)

• 650 milhões tc/ano —>19,0 milhões TEP/ano ( 60 % álcool e 40 % açúcar )

•Consumo brasileiro energia primária: 255 milhões TEP ( 7,5 % ) BEN 2016

•Consumo brasileiro petróleo + GN: 124 milhões TEP ( 15,3 % ) BEN 2016

2,1 kWh

Consumo de vapor d`água ~530 kg vapor/ tcana

Medidas existentes comercialmente para otimização energética das Usinas

• Evaporadores de açúcar mais eficientes (maior número de efeitos);

• Caldeiras com maior pressão e mais eficientes (leito fluidizado etc.);

• Sistemas de separação de álcool por membranas em substituição a colunas de destilação;

• Teores de açúcar mais elevados nos fermentadores etc.

• 650 milhões t/ano —> 55 milhões TEP/ano ( 60 % álcool e 40 % açúcar );

• Potencial de aproveitamento adicional de 36 milhões TEP/ano que representa:

• 14,1 % consumo brasileiro energia primária;

• 29,0 % consumo brasileiro petróleo + GN;

CENÁRIO APÓS OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DO SETOR AÇUCAR E ÁLCOOL

Redução consumo de vapor de 530 kg/t cana para 340 kg/t cana

85 l álcool

11 ton. cana

140 kg bagaço

seco

140 kg palha

seca 0,0274 TEP

0,0275 TEP

0,042 TEP

50 %

50 %

0,16 TEP

64 % de

aproveitamento

energético

(53,5 % anexa)

1 m3 vinhaça 6,3 m3

GN 0,0055 TEP

15,82 MWe

Bagaço 137,3 MWt

67 bar; 510 oC; 140,55 t/h

TE

12,68 MWe

2,5 bar; 164 oC 48,6 t/h

Condensado 0,10 bar; 46 oC

Vapor processo; 80,14 t/h

Total E. El. Gerada = 28,50 MWe

TC

Ciclo vapor simplificado típico em Usinas de açúcar e álcool

92 t/h

Desaerador

CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

• 650 milhões tc/ano —>adicional de 119 TWh ou 13,7 GW ;

• Potencial de geração que representa 19,2 % da oferta interna de energia

hidráulica em 2016; (BEN 2017)

11 ton. cana

85 lt álcool

140 kg

bagaço seco

140 kg palha

seca

0,042 TEP

50 %

50 % 0,16 TEP

Energia

Elétrica

24,3 % PCS

184 kWh

1 m3 vinhaça

6,3 m3 GN

• Potencial de elevação de geração de álcool em 66 % sem aumentar 1 cm2 de

área plantada;

•Rendimento energético de 47,2 %;

•Raizen (Costa Pinto Piracicaba: 40 milhões l etanol/ano; investimento R$ 230

milhões; operando desde 2015)

CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL

COM HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA CELULOSE DO BAGAÇO E PALHA (2G)

11 ton. cana

85 l álcool

140 kg

bagaço seco

140 kg palha

seca

0,042 TEP

50 %

50 % 0,16 TEP

Hidrólise

enzimática Etanol

40 % (l/kg) 56 l

0,028 TEP

1 m3 vinhaça

6,3 m3 GN

0,0055 TEP

COMPACTAÇÃO

• Peletizadora vertical de matriz plana

• COSAN

• 650 milhões tc/ano → 81,9 milhões t. péletes/ano (consumo europeu: ~15 milhões/ano;~170 U$/t FOB ou 130 U$ CIF)

• Rendimento energético de 60,9 %, próximo do máximo (64%);

• COSAN BIOMASSA; 175.000 t/ano; palha e bagaço de cana; Jaú

CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL

COM TECNOLOGIA DE COMPACTAÇÃO

11 ton. cana

85 lt álcool

140 kg

bagaço seco

140 kg palha

seca

0,042 TEP

50 %

50 % 0,16 TEP

Compactação

90 % (kg/kg) 126 kg

0,050 TEP

1 m3 vinhaça

6,3 m3 GN

0,0055 TEP

Péletes

Peletes

Rotas de gaseificação para geração de gás de síntese a partir do

bagaço cana

Bagaço e

palha de

cana

Pretratamento Gaseificação Tratamento gases

•Filtragem a

quente

•Reforma

metano

•Recuperação

de calor

•Compressão

•Recuperação

calor

•Filtragem a

frio

•Shift CO

•Remoção

CO2 e

H2S

Peletização

Torrefação

Pirólise

rápida

Gaseificador leito fluidizado

circulante: ~100 MW (20 t/h)

Gaseificador fluxo

arraste: > 100 MW

Gás de

síntese

CO + H2

Rota leito

circulante

Rota leito

arraste

O2

O2

GÁS DE SÍNTESE : REFINARIA DE BIOMASSA

NREL/TP-510-34929 Dec 2003

Large Scale Experiment „bioliq“

bioliq – demonstration unit and research platform for synthetic fuel and chemicals: Pyrolysis – Gasification – Synthesis (metanol)

Karlsruhe Institute of Technology ; Germany

• Potencial de elevação de geração de álcool em 76 % sem aumentar 1 cm2 de

área plantada (aproveitamento energético de 49,7 %);

•Potencial de geração de outros combustíveis líquidos renováveis como

etanol, óleo diesel, dimetil éter ou produtos como parafinas, amônia etc.

CENÁRIO ALTERNATIVO PARA O SETOR DE AÇUCAR E ÁLCOOL

COM TECNOLOGIA BTL -- REFINARIA DE BIOMASSA

11 ton. cana

85 lt álcool

140 kg

bagaço seco

140 kg palha

seca

0,042 TEP

50 %

50 % 0,16 TEP

Síntese Metanol

45 % (kg/kg) 63 kg

0,032 TEP

1 m3 vinhaça

6,3 m3 GN

0,0055 TEP

CCS: CO2 Capture and Storage

Fonte: CO2GeoNet-ebook-web.pdf

TECNOLOGIA BECCS: Bioenergy with CO2 Capture and Storage

Fonte: publicação IPT No 3002 (2005)

CO2

CO2

Caso demonstração: • Bacia ILLINOIS, EUA: Projeto DECATUR; • Usina de etanol a partir de milho; • Injeção de 1 milhão de tCO2 de 2011

a 2014 ; • Profundidade de injeção~2100m; • Pressão injeção: 9,3 Mpa; • Capacidade estocagem de CO2 da

bacia: 12 a 172 bilhões de tCO2;

Localização das usinas

em operação e

planejadas no país

Localização de áreas

em São Paulo com

potencial para

armazenagem de GN

e CCS

Fonte: Publicação IPT 3002

(2005)

Emissões de CO2 estimados na produção de etanol

hidratado

Etanol

CO2 emitido na produção

sem CCS da

fermentação (kg/L)

CO2 emitido na produção

com CCS da

fermentação (kg/L)

CO2 emitido na produção

com CCS da

fermentação e

gaseificação (kg/L)

Hidratado 0,257 (1) -0,497 -2,528

(2)

(1) Fonte: Seabra (2008); (2) Base cálculo: 0,7 kg de CO2/kg biomassa seca gaseificada(1) PhD Seabra, 2008, Unicamp; (2) Base cálculo:0,7 kg CO2/kg biomassa seca gaseificada

Custo CCS fermentação: elevação custo etanol em ~3,5% (CAPEX+OPEX)

Fonte: Moreira et all, “Beccs potential in Brazil: Achieving negative emissions in ethanol and electricity production

based on sugar cane bagasse and other residues”; Elsevier; Applied Energy, 2016

Grande potencial de sequestro de CO2 associada à Tecnologias CCS

“Carbon Capture and Storage”

Bagaço e

palha de

cana

•Filtragem a

quente

•Reforma

metano

•Recuperação

de calor

•Compressão

•Recuperação

calor

•Filtragem a

frio

•Shift CO

•Remoção

CO2 e

H2S

Peletização

Torrefação

Pirólise

rápida

Gaseificador leito fluidizado

circulante: ~100 MW (20 t/h)

Gaseificador fluxo

arraste: > 100 MW

Gás de

síntese

Rota leito

circulante

Rota leito

arraste

O2

O2

CO2 da

fermentação CCS

Futuro das Usinas: Biorrefinarias

etanol

polímeros PHA

Cana-de-açúcar

gaseificação

metanol

vinhaça

levedura

cachaça

etanol

açúcar

fertilizantes

hidrogênio

gás natural biogás

novos produtos

bagaço e palha

gás de síntese

alcoolquímica

biodiesel

energia

novos produtos

NH3

diesel energia

hidrogenio

DME

Grato pela atenção!

Contato: Ademar H. Ushima

E-mail: adidas@ipt.br

Tel.: 11 3767.4283