Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI
Instituto de Engenharia Mecânica – IEM
Núcleo de Excelência em Geração Térmica e Distribuída – NEST
Avaliação da Eco-Eficiência Ambiental
da Vinhaça para diferentes formas de
disposição aplicando ACV
Mateus Henrique Rocha
II WORKSHOP DE GESTÃO DE ENERGIA E RESÍDUOS NA
AGROINDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA
PIRASSUNUNGA, BRASIL
12 de Junho de 2007
1. Setor de Álcool no Brasil
Fonte: Souto, J. J. N. (2007)
Fonte: Souto, J. J. N. (2007)
1.1 Cenários futuros para produção de etanol
Fonte: Rodrigues, R. (2007)
• Grande quantidade de terra agricultável
• Características adequadas do solo
• Condições climáticas favoráveis
• Balanço energético do álcool de milho 1:1,5
• Balanço energético do álcool de cana 1:8
Fonte: Hennings O., Zeddies J. (2003)
1.2 Expansão do Setor Sucroalcooleiro
Fonte: Unicamp, CGEE/MCT (2006)
Região Centro-Sul
Fonte: Parra, J. R. P. (2005)
1.3 Evolução do consumo no mercado interno
Fonte: Anfavea (2006)
Incremento da produção
• Previsão de 30 bilhões de litros de
etanol produzidos em 2010.
• Instalação e/ou reativação de 73
destilarias
para
atendimento
da
demanda total.
• São estimados 8,5 milhões
automóveis flex em 2020.
• Em 2010 o total de vinhaça
produzida será de 360 milhões de
m³.
Fonte: Unica (2006)
de
2. Produção e características da vinhaça
• Vinhaça é um resíduo obtido na destilação alcoólica a 105 ºC, possui uma
coloração cor marrom escuro, de natureza ácida e com cheiro bastante
peculiar.
• A vinhaça é classificada como resíduo sólido classe II, ou seja, não inerte e
não perigoso com base nas suas características físico-químicas.
• A vinhaça corresponde, em média, a 52% em peso de todos os resíduos
sólidos produzidos pelas destilarias.
• A composição química da vinhaça é variável e depende do tipo de vinho
usado na destilação.
• A vinhaça pode ser caracterizada como fator de poluição dos cursos d´ água.
• Para cada litro de etanol produzido são gerados em média 13 litros de
vinhaça.
2.1 Composição química média da vinhaça
Fonte: Cortez, L. A. B. (2000)
Fonte: Briceño, C. O. (2005)
Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)
3. Formas de disposição da vinhaça
• Retorno à plantação, para substituição total ou parcial dos
fertilizantes, constituindo o processo chamado de fertirrigação.
• Fermentação aeróbica, por meio de bactérias ou fungos,
objetivando a obtenção de proteína unicelular.
• Fermentação anaeróbica utilizando bactérias metanogênicas,
para produção de biogás, constituindo o processo denominado
biodigestão anaeróbica.
• Concentração por meio de evaporação para obtenção de ração
animal.
• Processo de evaporação e concentração da vinhaça para
posterior combustão, visando o aproveitamento de energia e
recuperação de potássio.
3.1 Fertirrigação
• Efeitos da vinhaça sobre o solo: elevação do pH, redução do
alumínio trocável, aumento da matéria-orgânica, micronutrientes
e porcentagem de saturação das bases.
• Efeitos da vinhaça sobre a fisiologia da cana: aumento do teor
de umidade, redução dos teores de lignina, aumento do fator de
acamamento, dos teores de potássio e da vegetação e redução
dos níveis de sacarose quando esses são excessivos.
• Pode ser processada por inundação, por sulcos de infiltração,
por aspersão com equipamento semifixo e por aspersão através
de canhão hidráulico.
• Segundo Gonzalo et. al. (2006), Longo (1994) e Ludovice (1997)
amostras do lençol freático submetidas a longos períodos de
aplicação apresentaram teores de N, K e condutividade elétrica
acima do estabelecido.
Fonte: Lora, E. E. S. (2006)
Fonte: Luz, P. H. C., 2006.
Fonte: Luz, P. H. C. (2006)
Fonte: Lora, E. E. S. (2006)
Sistema de transporte e distribuição de vinhaça por
caminhão tanque
Fonte: Lora, E. E. S. (2006)
Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)
Fonte: Luz, P. H. C. (2006)
3.2 Biodigestão Anaeróbica
• A biodigestão anaeróbica é um processo de degradação da
matéria orgânica por microorganismos, resultando na produção
de biogás.
• Biogás: 55 a 70% de CH4 e 25 a 45% de CO2 além de outros
gases.
• O processo de formação do metano é estritamente anaeróbico,
mas o processo global é divido em três fases: acidogênese,
intermediário e metanogênico.
• Usos do biogás: produção de frio, calor, potência, automotivo,
secagem de leveduras, etc.
3.2 Biodigestão Anaeróbica
• Tipos de biodigestores: Chinês, Indiano, Fluxo de Pistão ou
horizontal, UASB, Filtro anaeróbico de fluxo ascendente e
Bifásico.
• Reator UASB: possui altos índices de remoção e velocidades
volumétricas além de baixos conteúdo de sólidos em suspensão
e tempo de retenção hidráulico.
• Vantagens da biodigestão: a energia produzida pelo biogás é
maior que o consumo requerido pelo sistema, aceita grandes
taxas de substâncias orgânicas e o efluente resultante pode ser
usado como fertilizante.
• Desvantagens da biodigestão: é um processo lento, possui
um longo período para início da operação e o custo de
implantação é elevado.
Esquema do processo global de metanogênese
Esquema de um biodigestor UASB
Fonte: Valdes, A. (2006)
Instalação típica de dois biodigestores UASB
Q = 5.000 m³ Diâmetro = 26,0 m Altura = 4,75 m
Fonte: Granato, E. F. (2003)
Instalação de geração de energia
• Principais fabricantes: Caterpillar, Wakesha, Duetz, Wartsila,
Cooper e Jenbacher.
Fonte: GE Jenbacher Engine Gensets (2007)
Concentração da vinhaça
Fonte: Germek e Feigl (1987)
Fonte: Katz G. M. (1979)
3.3 Concentração e combustão da vinhaça
• Na concentração retira-se água da vinhaça sem perda de sólido,
com redução do volume.
• A evaporação da água utilizando-se evaporadores de múltiplo
efeito é a tecnologia mais difundida e utilizada para concentração
do açúcar.
• As primeiras unidades de concentração de vinhaça foram
instaladas na Áustria em 1942 pela VOLGELBUSCH.
• A concentração da vinhaça é uma forma de reduzir os custos
com transporte em caminhões-tanque aumentando o raio
econômico de aplicação.
• Segundo Katz (1979): consumo de vapor 0,27 kg/L, eletricidade
0,0134 kW/L, água de refrigeração 0,013 m³/Lágua evaporada e a
vazão de entrada é função do Brix da saída.
Fonte: Dedini (2006)
Fonte: Dedini (2006)
3.4 Combustão da vinhaça
• A idéia de se queimar a vinhaça em caldeira está relacionada
com a queima do licor negro na indústria de papel e celulose.
• Vantagens: é a única tecnologia que permite eliminar o
potencial poluidor da vinhaça; com recuperação econômica do
potássio; aproveitamento do potencial energético.
• Desvantagens: balanço energético negativo, impacto da
combustão sobre as tubulações e refratários e altos índices de
emissões de poluentes atmosféricos como material particulado,
NOx, SOx e CO.
• Para tentar minimizar as incrustações a Praj desenvolveu um
novo evaporador denominado Flubex.
Evaporador Flubex
Fonte: Briceño, C. O. (2005)
Vinhaça concentrada (55º Brix)
Fonte: Briceño, C. O. (2005)
Fonte: Dedini (2005)
Fonte: Avram, P., et. al. (2006)
4. Introdução
• Variável ambiental: atribuída a qualquer grandeza física, química
ou biológica, determinada de forma direta ou indireta e que possui
a finalidade de caracterizar o impacto ambiental.
• Indicador Ambiental: grandeza derivada de uma variável
ambiental, visando a quantificação de uma intervenção ambiental
específica.
• Índice Ambiental: refere-se à agregação de mais de um
indicador ambiental com o objetivo de transformar uma grande
quantidade de dados em uma forma mais simples, retendo o
significado essencial da informação no uso pretendido deste
índice.
• Sistemas Ecológicos: degradação de sistemas ecológicos
ecotoxicidade terrestre, ecotoxicidade aquática (marinha e água
doce) e biodiversidade.
• Impactos de caráter local, regional ou global: efeito estufa,
depleção da camada de ozônio, eutrofização, acidificação, etc.
• Efeitos econômicos e sociais: aspectos visuais, recreacionais,
arquitetônicos e históricos e índices de crescimento econômico
como taxa de desemprego, PIB, etc.
• Difícil associação com o processo e suscetíveis a decisões
baseadas em juízo de valores.
4.1 Elaboração do Índice de Impacto Ambiental de um processo
Fonte: Bauer, P. E. (2003)
• Os indicadores ambientais estão associados às intervenções
ambientais dos processos: recursos naturais, saúde humana,
sistemas ecológicos e efeitos econômicos e sociais.
• Cada um desses grupos é representado por uma categoria de
impacto ambiental, sendo cada categoria de impacto associada a,
pelo menos, um indicador ambiental.
• Recursos Naturais: recursos renováveis/não-renováveis ou
recursos bióticos/abióticos.
• Saúde Humana: Categorias associadas a efeitos deletérios
(mutagênicos, carcinogênicos e teratogênicos).
4.2 Elaboração de um índice de Impacto Ambiental de um processo
Fonte: Bauer, P. E. (2003)
5. Análise do Ciclo de Vida
• Idealizada para quantificação de impactos ambientais
associados à produtos ou funções de uso direto pelo ser humano.
• Atualmente esta metodologia tem sido usada para processos
produtivos diversos.
• Metodologia ACV é científica, precisa e específica.
• Os métodos derivados da Produção Sustentável e do
Desempenho Ambiental são genéricos, aproximados e gerenciais.
5.1 Principais fases associadas ao ciclo de vida de um produto
Fonte: Ferrão, P. C. (1998)
5.2 Histórico da ACV
• 1969 – Coca-Cola: comparação de materiais para embalagens,
consumo de recursos e geração de emissões.
• 1972 – Ian Boustead: desenvolveu um modelo para determinar
os consumos de energia relacionados às embalagens de
alumínio, vidro e plástico.
• 1973 – 1º crise do petróleo: busca de fontes alternativas de
energia.
• 1985 – diretiva da União Européia sobre controle de
embalagens de alimentos.
• 1990 a 1996 – crescimento e difusão no meio acadêmico.
• 1997 – possibilidade de utilização da ACV para desenvolvimento
de novos produtos e definição de políticas públicas.
• ISO 14.040 – Análise do Ciclo de Vida – Princípios e Estrutura.
• ISO 14.041 – Análise do Ciclo de Vida – Definição de objetivo e
escopo e análise do inventário.
• ISO 14.042 – Análise do Ciclo de Vida – Avaliação do Impacto
do Ciclo de Vida.
• ISO 14.043 – Análise do Ciclo de Vida – Interpretação do Ciclo
de Vida.
Iniciativas de ACV UNEP/SETAC
5.3 Como a ACV pode agregar valor ao produto
Série ISO 14040
Avaliação do Ciclo de
Vida
Descrição do
desempenho
ambiental de
produtos
Aspectos
ambientais
prioritários
Informação de
aspectos ambientais
em projeto e
desenvolvimento
Série ISO 14020
Rótulos e
declarações
ambientais
Act
Plan
Check
Do
Comunicação
do desempenho
ambiental
Monitorar o
desempenho
ambiental
Monitorar o
desempenho do
sistema
Melhoria do
desempenho
ambiental de
produtos
ISO 14062
Projeto para o Meio
Ambiente
ISO 14063
Comunicação
ambiental
Série 14030
Avaliação do
desempenho
ambiental
Informação sobre
os aspectos
ambientais de
produtos
Comunicação do
desempenho
ambiental
Descrição do
desempenho
ambiental de
organizações
Informação sobre
ISO 19011
Auditoria de sistemas o desempenho do
sistema de
de gestão ambiental
gestão ambiental
Fonte: Ugaya, C. M. L. (2006)
• ISO 14.025 – Rotulagem e declarações ambientais
Fonte: Coltro, L. (2007)
5.4 Etapas de uma ACV
Aplicações diretas:
• Desenvolvimento e
melhoria do produto
• Planejamento estratégico
• Elaboração de políticas
Públicas
• Marketing
Fonte: NBR-ISO 14040
5.5 Definição do Objetivo e do Escopo do Estudo
A definição do objetivo e
do escopo consiste no
estabelecimento
dos
limites do estudo de ACV.
Definição do objetivo
Análise do Inventário
Avaliação do Impacto
Fonte: NBR-ISO 14040
Interpretação
e do escopo
5.6 Análise do Inventário
A análise do inventário
envolve a coleta de dados
e
procedimentos
de
cálculo para quantificar as
entradas e saídas de um
sistema.
Definição do objetivo
Análise do Inventário
Avaliação do Impacto
Fonte: NBR-ISO 14040
Interpretação
e escopo
5.7 Avaliação do impacto
Definição do objetivo
Análise do inventário
Avaliação do impacto
Fonte: NBR-ISO 14041
Interpretação
e escopo
Caracterização
Fonte: Ferrão, P. C. (1998)
Eco-Indicadores e suas considerações
Categorias de Impacto
Mudança Climática
Destruição da camada de ozônio
Acidificação
Eutrofização
Ecotoxicidade
Ecotoxidade águas doces
Ecotoxidade marinha
Ecotoxidade terrestre
Toxicidade humana
Cancerígenos
Não cancerígenos
Respirações orgânicos
Respirações inorgânicos
Uso do solo
Minerais
Combustíveis fósseis
Exaustão abiótica
Uso de recursos
Smog fotoquímico
Água doce
Água marinha
Radiação
Resíduos sólidos
Resíduos perigosos
Resíduos radioativos
Escória / cinzas
Ecoindicador 99
x
x
x
x
x
CML 2000
x
x
x
x
EDIP
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
TRACI
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Fonte: Ugaya, C. M. L (2006)
x
Normalização
Mudanças Climáticas 0,05%
Acidificação 0,02%
Normalização: contribuição para
o impacto total
Ponderação
• Deve ser dada importância para cada
impacto ambiental
• Caráter subjetivo
• Não pode ser usado sem um
exame detalhado em relatórios
5.8 Interpretação
Análise de sensibilidade
Avaliação de itens importantes:
Seleção de materiais
Gestão da cadeia de suprimento
Estabelecimento da infra-estrutura
para reciclagem
Definição de objetivo
e escopo
Análise do Inventário
Avaliação do Impacto
Interpretação
•
•
1)
2)
3)
5.9 Iniciativas atuais em ACV no Brasil
• Institutos de Pesquisa: USP, UNICAMP, UNB, UFSC, UFBA,
UFMG, CEFET-PR, IBICT, ITAL, CETEA, Instituto EKOS e
UNIFEI.
6. Análise da Eco-Eficiência Ambiental da
vinhaça aplicando ACV
• Número de Destilarias: 7
• Área plantada: 31.472 ha
• Produção de cana: 2.796.876 t
• Produção de álcool: 504.468 m³
• Produção de energia: 95.538 kW
Fonte: UNICA (2007)
6.1 Fronteira do Sistema
Fonte: Rocha, (2007)
6.1 Suposições admitidas
• Unidade funcional: 1 m³ vinhaça disposta.
• Este estudo não vai possuir alocação de dados.
• Tipos de impacto selecionados: EDIP e Ecoindicador 99.
• Categorização dos dados: tempo, área geográfica, tecnologias,
representatividade, consistência e incertezas.
• Suposições e limitações: biodigestão e combustão não foram
incluídas nesta análise preliminar por falta de dados consistentes,
modelo de solo, precipitação.
• Software SimaPro 7.0 banco de dados europeu.
6.2 Descrição da Usina Padrão
Fonte: Rocha, (2007)
6.3 Cenário para transporte da vinhaça por canais
Fonte: Rocha, (2007)
6.4 Cenário para transporte da vinhaça por
caminhões
Fonte: Rocha, (2007)
Fertirrigação por canais
EDIP/Caracterização
EDIP/Pontuação única
Ecoindicador 99/Caracterização
Ecoindicador 99/Pontuação única
Fertirrigação por caminhões
EDIP/Caracterização
EDIP/Pontuação única
Ecoindicador 99/Caracterização
Ecoindicador 99/Pontuação única
Comparação entre os dois sistemas
EDIP/Caracterização
Fonte: Rocha, (2007)
Comparação entre os dois sistemas
EDIP/Normalização
Fonte: Rocha, (2007)
Comparação entre os dois sistemas
EDIP/Pontuação Única
Fonte: Rocha, (2007)
Comparação entre os dois sistemas
Ecoindicador 99/Caracterização
Fonte: Rocha, (2007)
Comparação entre os dois sistemas
Ecoindicador 99/Pontuação Única
Fonte: Rocha, (2007)
Conclusões
• A ACV é uma ferramenta muito importante para avaliação de
impactos ambientais, tanto de produtos quanto de processos
produtivos, desde que usada corretamente.
• Para fertirrigação com transporte por canais tanto o EDIP
quanto o Ecoindicador 99 registraram um alto índice de
ecotoxicidade, o que sugere que a fertirrigação a longo prazo
pode provocar danos ao solo e ao lençol freático.
• Para a fertirrigação com transporte por caminhões dois itens
apresentaram índices elevados tanto no EDIP quanto no
Ecoindicador 99 a acidificação e a mudança climática provocada
pelo uso de combustíveis fósseis.
CONTATOS:
Eng. Mateus Henrique Rocha
[email protected]
(35) 3629-1466
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia Mecânica
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Itajubá-MG – Brasil
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Obrigado pela atenção!