Usina de álcool minimizada: uma termoelétrica à
biomassa de cana de açúcar.
Análise emergética do sistema "MUAI" de tamanho médio
para produção de etanol, eletricidade e alimentos.
Dr. Enrique Ortega
FEA, Unicamp, Brasil
III Taller de Energías Renovables.
X Escuela Internacional de Verano de Ciencia y Tecnología de los Metales.
Universidad de La Habana. Cuba, 14 de julio de 2003.
MUAI: Mini-Usina de
Álcool Integrada a produção
de eletricidade e alimentos.
Uma proposta do grupo de pesquisa da Escola de
Engenharia de São Carlos, USP, Brasil:
Dr. Romeu Corsini, Dr. Geraldo Lombardi, MS.
Aldo Ometto. Conta com várias colaborações: Dr.
Pedro Rodríguez Ramos do Instituto Politécnico
“Luis Antonio Echavarria” de la Habana e
Enrique Ortega e Osmar Coelho da Unicamp.
Escolha entre alternativas renováveis e não renováveis
Políticas pública e
decisões individuais:
- Escolhas no consumo
- Escolha de apoios
inf.
recursos não
renováveis
$
Sol,
vento,
chuva
recursos
renováveis
Sol,
vento,
chuva
Benefícios da policultura e o consumo interno:
- Auto-suficiência de insumos e energia
- Processo ecológico intensivo em mão-de-obra
- Uso da cobertura vegetal natural e dopatrimonio cultural
- Recarga de aqüiferos
$
$
Sol,
vento,
chuva
inf.
Impactos da monocultura de exportação:
- Importação de insumos químicos
- Uso intensivo de substâncias tóxicas
- Uso intensivo de maquinária e combustível
- Exodo rural e desemprego urbano
- Investimentos urbanos e serviços para os marginalizados
- Destruição da cobertura vegetal natural
- Destruição do patrimonio cultural e infra-estrutura
- Perda do solos e da biodiversidade
- Diminuição da recarga de aqüiferos
- Poluição dos recusos hídricos e dos alimentos
- Enfermidades
recursos
hídricos
MUAI
silos de
trincheira
reserv a f lorestal f ertiirrigação
leite
carne
couro
criação
conf inada de
gado leiteiro
biodigestor biofertilizante
(feedback)
bomba e f iltro
hortaliças
e f rutais
frutas e
hortaliças
uso
interno
caminhão
água
cana
sorgo
colhedeira
bagaço
úmido
cana em
toletes
tombador
picador
desf ibrador
dif usor
caldo de
cana
água
caldeira
secador
de leito em
suspensão
uso
interno
conjunto
turbo-gerador
aquecedor
eletricidade
bagaço
Integração de
fluxos internos
e produção de
recursos de alta
qualidade.
decantador
préev aporador
tanque
de lodo
enf ardamento
de bagaço
resf riador
dornas de
f ermentação
termolisador
ev aporador uso
e secador interno
cuba
f lotador
centríf uga
fundo
das
dornas
lodo
levedura
uso
interno
vinho
etanol
regenerador
colunas de
destilação
uso
interno
vinhoto
trocador
biogas
ev aporador
biodigestor
biofertilizante
(uso interno)
Emergía.
R3
Recursos
hídricos locais
(gratuitos)
R2
Elementos
químicos da
rocha e da
atmosfera
N = Energia não-renovável
da natureza
F = Feedback da economia ou retroalimentação (pode ser não-renovável)
N
Matéria orgânica
do solo perdido
por erosão
F=M+S
Materias, bens,
trabalho externo, serviços.
Recursos hídricos
cobrados.
Pagamentos
R1
Energia solar
acumulada:
biodiversidade
regional
Q
Estoques
internos de
emergia
$
Dinheiro
$
Investimento.
Custeio.
Principal e
juros ou lucro
interações
R0
Energia solar
direta: radiação,
vento, chuva
$ vendas
Produto
Ep = Energia
do produto
agroecossistema
Energia renovável da natureza
R = R0 + R 1 + R2 + R3
Contribuição total da natureza
I=R+N
Energia degradada
Emergia incorporada
Y=I+F
Índices
Fluxos de emergia expressos em sej/ha/ano
Insumos da economia humana: F
N
Contribuições Perda de solo
e biota
da natureza: I
33 x 1013
R
recursos
renováveis
136 x 1013
169 x 1013
I=R+N
M
materiais
S
serviços
28 x 1013
340 x 1013
F=M+S
368 x 1013
Processo
agrícola e
industrial
Índices emergéticos
Y=I+F
537 x 1013
Massa produzida
Mp = 54087 kg
Energia produzida
Ep = 6,2E11 J
Transformidade: Tr = Y/Ep = 37 000 < < 200 000 sej/J
alta eficiência
Taxa de rendimento: EYR = Y/R = 1,46 > 1,21
capta energia
Taxa de investimento: EIR = F/I =2,17 < 4,72
mais econômico
Renovabilidade: %R = 100(R/Y) = 25% > 10,9
mais sustentável
Empregabilidade: (100 +31)/4130 hectares = 0,025 > 0,01
aceitável
Sistema agrícola e pecuário e transporte da cana
leite
carne
couro
recursos
hídricos
silos de criação confinada
trincheira de gado leiteiro biodigestor
reserva florestal
ferti-irrigação
biofertilizante
bomba e filtro
hortaliças e
frutais
sorgo
cana
colhedeira
caminhão
hortaliças
e frutas
Sistema de preparação e extração de caldo
e uso do bagaço para gerar eletricidade
água
cana
em
toletes
caldo
de cana
tom bador
picador
desfibrador
bagaço
úmido
difusor
caldeira
secador
de leito em
suspensão
biogás
uso no sistema
conjunto turbogerador
eletricidade
bagaço
enfardamento de
bagaço
Sistema de produção de etanol e levedura.
caldo aquecedor
de cana
decantador
préevaporador
resfriador
dornas de fermentação
termolisador
evaporador
e secador
cuba
centrífuga
levedura
vinho
etanol
regenerador
colunas de
destilação
vinhoto
lodo das dornas
lodo do caldo
Geração de biogás e bio-fertilizante
tanque
de lodo
dornas de
f ermentação
f lotador
fundo
das
dornas
regenerador
lodo do
caldo
vinhoto
trocador
biogas
ev aporador
biodigestor
biofertilizante
Diagrama de fluxos de energia. Primeira etapa
Rios
Recursos
renováveis
sedimentos
Nitrogênio
atmosférico Minerais
do solo
Recursos não
renováveis
Materiais e
serviços
Pressões
sociais
$
Biodiversidade
regional
Reposição
lenta
$
Estoques
internos
(aquíferos e
solo)
Sistema
local
huma no
P ressões
sociais
Serviços ambientais
P erdas
Áreas florestais
preservadas
Biodigestor
Nutrientes
Energia
solar
Empréstimo
P agamentos
Cana de açúcar,
Sorgo e outros
produtos
alimentícios
Reciclagem
Metano
Frutas e
vegetais
Sistema de
vapor e
eletricidade
Eletricidade
Albedo
Destilação
autônoma
P onteiros do
sorgo e folhas
da cana
Bagaço
Etanol
P onteiros da
cana e folhas
Fermentação
anaeróbica
Gado
confinado
Abatedouro
e laticínios
Mini Usina de Álcool Integrada (MUAI)
Energia degradada
Leite,
carne e
couro
Diagrama de fluxos de energia. Segunda etapa
Rios
Sedimentos
Nitrogênio
atmosférico
Minerais
do solo
Recursos não
renováveis
Materiais e
serviços
$
Biodiversidade
regional
$
Recursos
renováveis
Energia
solar
Albedo
P ressão
social
Sistema
local
humano
Reciclagem
Cana de açúcar,
sorgo, produtos
alimentícios e
florestas
Empréstimo
P agamento
P ressão social
Serviços ambientais
Cargas ambientais
Alimentos
Destilação autônoma
com vapor e produção
de eletricidade
Etanol e
potência elétrica
Sistema com gado
confinado em
currais
Mini Usina de Álcool Integrada (MUAI)
Energia degradada
Leite,
carne e
couro
Diagrama de fluxos de energia. Terceira etapa
Rios
Sedimentos
Biodiversidade
regional
Recursos
renováveis
Energia
solar
Nitrogênio
atmosférico
Minerais
do solo
Recursos não
renováveis
Materiais e
serviços
Controle e reciclagem
Gado
Destilação
com turbina
elétrica
Cana de açúcar,
sorgo, produtos
alimentícios e
florestas
Sistema
local
huma no
$
Biodiversidade local
P ressão social,
Serviços ambientais
P erdas ambientais
Etanol
P otência elétrica
Alimentos
Leite, carne e couro
Albedo
Mini Usina de Álcool
Integrada (MIED)
Energia degradada
Diagrama de fluxos de energia. Quarta etapa
Insumos da nat ureza: I = R + N
R2 = Recursos
renováveis da
biosfera e da região
R2
N= recursos não renováveis
da natureza: (destruição de
recursos biológicos locais)
F
Materiais e serviços vindos
da economia urbana,
basicamente de natureza
não renovável
F = M + S1
N
S2
Reposição
R1 = Recurso
renovável de
energia solar direta
Erosão
Bens
Controle humanos
Pressão social
(valor desconhecido)
P ressão social
E 1 (sem remuneração)
R1
Infraestrutura e
processamento
Venda: etanol,
E 2 potência elétrica,
alimentos, leite,
carne e couro
Interação
fotossintética
Albedo
Recursos renováveis
da natureza:
R = R1 + R 2
Mini Usina de Álcool
Integrada (MUAI)
E3
P erdas e resíduos
(sem taxas)
E4
Serviços ambientais
(sem subsídios)
Energia degradada
Y = I + F = Emergia incorporada t ot al
Soma (Ei) = produção t ot al
Procedimento de análise emergética,
passo a passo.
1. Identificação e quantificação dos fluxos;
2. Obtenção do fator de conversão de energia
denominado transformidade para cada fluxo;
3. Conversão a fluxos de emergia;
4. Agregação de fluxos;
5. Obtenção de índices;
6. Discussão dos índices obtidos.
N2
atmos.
minerais
do solo
Primeira etapa: identificação do sistema
e quantificação dos fluxos
insumos
urbanos
água
biomassa,
aquíferos
Reserva
florestal
$
madeira
pessoas,
infraestrutura
Área
agrícola
Sol, vento,
chuva
serviços
públicos
$
beneficiamento
$
produtos
agrícolas
$
produtos
pecuários
Pecuária
biomassa,
aquíferos
Área de
brejos
$
biomassa
água
limpa
Figura 2. A agricultura ecossistêmica, preservando funções ambientais e sociais
Segunda etapa: Considerar o custo energético
retro alimentação
materiais
novos
recursos
trabalho
produto
Energia
externa
processo
produtivo
região
sistema maior
Transformidade =
Tr =
emergia solar
energia
=
energia solar necessária
produto que sai do subsistema
sej
J
Tr =
emergia solar
massa
Figura 4. Diagrama da conversão de energia em produto
=
sej
kg
Segunda etapa:
conversão dos fluxos
J3
J2
fluxo
energia / área / tempo
J2
transformidade
Energia
solar direta
Tr 2
fluxo e2
Tr4
Tr3
Tr2
fonte de
energia
J4
e2
e3
J5
Tr5
e4
e5
estoques
internos
Q
J1
e1
Recursos energéticos externos
em ordem de intensidade (e
renovabilidade)
produto (s)
EP
Agroecossistema
emergia / energia
emergia / área / tempo
Emergia usada
Energia produzida =
processo de interação
Ji Tri
Ep
ei
=
Ep
Figura 5. Diagrama para explicar a conversão de fluxos de energia e
massa de diversas qualidades em fluxos de emergia (sej/área/tempo),
passíveis de serem agregados conforme sua origem e renovabilidade
Figura 6. Procedimento de cálculo de um fluxo emergético:
(1) Indicar o valor do fluxo nas suas unidades comuns: J 2
(2) Converter para unidades SI (J, kg): J2 (SI)
(3) Multiplicar pela transformidade correspondente (Tr2)
(4) Expressa-se o valor do fluxo em emergia (e2).
Terceira etapa: agregação
N
R2
R1
M
S
estoque
interno
Q
interações
Figura 7. Diagrama resumido
$
$ vendas
Ep
Energia do produto
Quarta etapa: índices
Densidade emergética: Y
Transformidade: Tr = Y/Ep
Taxa de rendimento emergético: EYR = Y/R
Taxa de investimento emergético: EIR = F/I
Porcentagem da renovabilidade: %R = 100(R/Y)