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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 - [email protected] - 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 - [email protected] - 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