UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
Trabalho de Conclusão de Curso
Estimativa do poder calorífico de madeiras de acácia-negra
e eucalipto do Município de Pelotas - RS
Carolina Meincke Couto
Pelotas, 2014
CAROLINA MEINCKE COUTO
Estimativa do poder calorífico de madeira de acácia-negra e
eucalipto do Município de Pelotas - RS
Trabalho acadêmico apresentado ao
Curso de Engenharia Ambiental e
Sanitária, da Universidade Federal de
Pelotas, como requisito parcial à
obtenção do título de Bacharel em
Engenheiro Ambiental e Sanitarista.
Orientadora: Profª. Drª. Claudia Fernanda Lemons e Silva
Coorientador: Prof. Dr. Rafael Beltrame
Pelotas, 2014
Universidade Federal de Pelotas / Sistema de Bibliotecas
Catalogação na Publicação
C871e Couto, Carolina Meincke
Estimativa do poder calorífico de madeira de acácia negra e
eucalipto do município de Pelotas – RS / Carolina Meincke
Couto; Claudia Fernanda Lemons e Silva, orientadora; Rafael
Beltrame, coorientador – Pelotas, 2014.
56 f.: il.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em
Engenharia ambiental e sanitária) – Centro de
Engenharias, Universidade Federal de Pelotas, 2014.
1.Biomassa. 2.Poder Calorífico. 3.Aproveitamento
Energético. I. Silva, Claudia Fernanda Lemons e, oriente, II.
Beltrame, Rafael, coorient. III. Título.
CDD : 674
CDD:
628.445
Elaborada por Aline Herbstrith Batista CRB: 10/1737
Banca examinadora:
Profª. Drª. Claudia Fernanda Lemons e Silva – Centro de Engenharias/UFPel
Prof. Dr. Rafael Beltrame - Centro de Engenharias/UFPel
Prof. Dr. Érico Kunde Corrêa – Centro de Engenharias/UFPel
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar a meus pais, Gladis e Geovani, por todo amor, toda
preocupação, toda a dedicação e todo o apoio dados a mim. Não dedico a vocês
apenas esse trabalho, mas todo o curso e todos os momentos de felicidade e
conquista que tive e terei.
Ao meu noivo e grande amor, Marcelo, por todos os momentos de atenção,
ajuda, tolerância e principalmente carinho e amor.
Agradeço, com muito carinho, ao meu grande amigo Marcus Pilotto, o qual
sempre esteve ao meu lado me apoiando, motivando e alegrando meus dias.
Através dos estudos criamos um laço de amizade o qual desejo que continue para a
vida toda.
Aos professores que aqui me ajudaram, Professora Claudia e Professor
Rafael, mas também a todos que de alguma forma contribuíram para minha
formação.
“Comece fazendo o necessário,
depois, faça o possível,
e logo estarás fazendo o impossível”.
(São Francisco de Assis)
RESUMO
COUTO, Carolina Meincke. Estimativa do poder calorífico de madeiras de
acácia-negra e eucalipto do Município de Pelotas - RS. 2014. 56f. Trabalho de
Conclusão de Curso (TCC). Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária.
Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.
O homem para satisfazer suas necessidades, transforma e altera os recursos
do ambiente, e isso causa a degradação ambiental. A utilização de fontes de energia
não renováveis é um dos fatores que contribuem para o comprometimento do meio
ambiente. A biomassa é uma interessante alternativa para renovar a matriz
energética, pois tem as mais variadas fontes, desde agricultura, florestas, indústrias
e até resíduos urbanos e animais. Assim, o presente trabalho buscou conhecer
algumas das fontes utilizadas para esse fim, suas informações e características.
Dentre as fontes, escolheu-se a madeira para avaliar (aproximando-se de um estudo
de caso) a massa específica básica e o teor de umidade, para posteriormente
estimar o poder calorífico. Para isso selecionou-se cinco estabelecimentos do
município de Pelotas – RS, que utilizam a madeira para a cocção de alimentos. Os
resultados obtidos para o poder calorífico da lenha de acácia, foi em média 2.535
Kwh/m³, para o teor de umidade de 19,77%. Já para a lenha de eucalipto os
resultados foram 1.898,5 KWh/m³, para 23,55% de umidade. Os resultados mostram
que a utilização da madeira para a geração de energia é interessante, porém o uso
de resíduos (como resíduos agrícolas em forma de pellets) pode ser mais
conveniente, pois além de obedecer a Política Nacional dos Resíduos Sólidos, é
mais nobre do que enviá-los para aterros sanitários.
Palavras Chave: Biomassa. Poder calorífico. Aproveitamento energético.
ABSTRACT
COUTO, Carolina Meincke. Estimating the calorific value of firewood acacia and
eucalyptus Municipality of Pelotas - RS. 2014. 56f. Paper of course conclusion.
Graduation in Environmental and sanitary engineering. Federal University of Pelotas,
Pelotas.
The man to satisfy his needs transforms and changes the environment’s resources,
and this causes the environmental degradation. The use of non-renewable energy
sources is one of the factors that contribute to the impairment of the environment.
The biomass is an interesting alternative to renew the energy grid, because it has the
most varied source, from agriculture, forests, industries, and even urban and animal
waste. Therefore, the present paper aimed to know, through bibliographic studies,
some of the sources that can be used for this purpose, its information and
characteristics. Among the sources, the firewood was chosen to evaluate
(approaching a study of case) the basic specific mass and the moisture content to
further estimate the calorific power. For this was selected establishments in the
municipality of Pelotas – RS, which use the firewood to boiling the foods. The
obtained results for the calorific power of acacia firewood were on averaged 2.535
Kwh/m³ for the moistures of 19.77% respectively. Now for the eucalyptus firewood
the results were 1.898,5 KWh/m³, to 23,55 of moisture. The results show that the
use of the firewood for the generation of energy is interesting, however the use of
wastes (as agricultural wastes in the form of pallets) may be more convenient,
because, besides obey the National Politics of Solid Wastes, it is nobler than sending
them to sanitary landfills.
Keywords: Biomass. Calorific power. Energetic utilisation.
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO................................................................................... 12
1.1
Objetivos............................................................................................
1.1.1
Objetivo geral..................................................................................... 14
1.1.2
Objetivos específicos.........................................................................
2
REVISÃO DE LITERATURA............................................................. 15
2.1
Biomassa...........................................................................................
15
2.2
Biomassa no Brasil............................................................................
16
2.3
Fontes de biomassa........................................................................... 18
2.3.1
Resíduos sólidos urbanos.................................................................. 18
2.3.2
Resíduos agrícolas............................................................................
2.3.3
Resíduos industriais........................................................................... 21
2.3.4
Biomassa florestal.............................................................................. 21
2.3.4.1
Florestas energética..........................................................................
21
2.3.4.2
Resíduos florestais............................................................................
22
2.3.4.3
Carvão vegetal................................................................................... 23
2.3.4.4
Lenha.................................................................................................
24
2.4
Caracterização geral da biomassa....................................................
25
2.4.1
Estrutura da biomassa.......................................................................
25
2.4.1.1
Propriedades físicas da biomassa.....................................................
26
2.4.1.1.1 Massa específica...............................................................................
26
2.4.1.1.2 Densidade..........................................................................................
26
14
14
19
2.4.1.1.3 Teor de umidade................................................................................ 27
2.4.1.1.4 Teor de cinzas...................................................................................
27
2.4.1.1.5 Poder calorífico..................................................................................
28
2.4.2
Tecnologias de aproveitamento de biomassa...................................
28
2.4.2.1
Combustão direta............................................................................... 28
2.4.2.2
Gaseificação......................................................................................
29
2.4.2.3
Pirólise...............................................................................................
29
2.4.2.4
Liquefação.........................................................................................
30
2.4.2.5
Cogeração.........................................................................................
30
2.4.2.6
Hidrólise.............................................................................................
3
METODOLOGIA................................................................................ 31
3.1
Característica do local do estudo....................................................... 31
3.2
Delineamento da pesquisa................................................................
3.3
Coleta e tratamento das amostras..................................................... 32
3.3.1
Determinação do teor de umidade....................................................
34
3.3.2
Determinação da massa específica básica.......................................
34
3.3.3
Determinação do poder calorífico......................................................
35
3.3.4
Análise estatística..............................................................................
36
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................
37
4.1
Teor de umidade................................................................................ 37
4.2
Massa específica básica.................................................................... 39
4.3
Poder calorífico..................................................................................
5
CONCLUSÕES.................................................................................. 45
30
31
42
REFERÊNCIAS.................................................................................
46
APÊNDICE........................................................................................
55
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Fontes de biomassa........................................................................... 16
Figura 2 Composição da biomassa vegetal.....................................................
26
Figura 3 Discos das lenhas utilizadas como amostras....................................
33
Figura 4 Demarcação das cunhas e nomenclaturas........................................ 34
Figura 5 Determinação da massa específica básica.......................................
35
LISTA DE TABELAS
Tabela 1
Disponibilidade de resíduos vegetais..............................................
Tabela 2
Estabelecimentos (E), atividade desenvolvida e espécie florestal
utilizada............................................................................................ 32
Tabela 3
Análise de variância para o teor de umidade em função dos
estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.................... 37
Tabela 4
Comparação de médias do teor de umidade da madeira para os
cinco estabelecimentos de coleta das amostras............................. 38
Tabela 5
Análise de variância para a massa específica básica em função
dos estabelecimentos de coleta das amostras de madeira............. 40
Tabela 6
Comparação de médias da massa específica básica para os
cinco estabelecimentos de coleta das amostras............................. 40
Tabela 7
Poder calorífico de alguns resíduos orgânicos................................
Tabela 8
Análise de variância para o poder calorífico em função dos
estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.................... 42
Tabela 9
Comparação de médias do poder calorífico da madeira para os
cinco estabelecimentos de coleta das amostras............................. 43
20
41
12
1. INTRODUÇÃO
Para satisfazer as necessidades básicas, o homem entra na história como um
ser que transforma e altera o equilíbrio dos recursos naturais, produzindo a
degradação ambiental, a destruição dos ecossistemas e a extinção de espécies
(MAZZOCATO e RIBEIRO, 2013). Entre as características desta degradação
destaca-se o uso de fontes de energia não renováveis, o que representa um fator de
comprometimento do meio ambiente em escala global e local.
A biomassa, como fonte renovável de energia, ganha cada vez mais
importância, à medida que o esgotamento dos recursos fósseis se acentua e os
problemas de poluição ambiental se agravam. Além disso, as questões geopolíticas
nas regiões produtoras de petróleo acentuam certa tendência para a instabilidade
dos abastecimentos e dos preços daquele combustível nos mercados mundiais
(BRITO et al., 2005).
A partir da crise do petróleo na década de 1970, surgiram novos conceitos de
sustentabilidade ambiental, econômica e social estabelecendo-se um novo padrão
ideal de geração e de consumo de energia. Essa transição se faz pela gradativa
substituição de fontes de energia de origem fóssil, principalmente petróleo e seus
derivados, por fontes renováveis e menos poluentes. Tal mudança é impulsionada
principalmente pela progressiva redução das reservas de carbono fóssil, pelos
conflitos entre nações ocasionadas pela detenção e/ou dependência dessas
reservas e também devido aos problemas ambientais decorrentes do uso de
combustíveis não renováveis (SACHS, 2005).
Do ponto de vista ambiental, a sustentabilidade do desenvolvimento depende,
entre outras medidas, da redução das emissões de gases poluentes, da
conservação do solo, da não contaminação das águas, da exploração racional dos
recursos fósseis e dos recursos naturais renováveis. Dentre as atividades humanas,
a produção e o consumo de energia é uma das mais intensivas na utilização de
recursos naturais. Por outro lado, também é uma das principais fontes de emissões
de poluentes (BRASIL - ELETROBRÁS, 1998).
13
Cerca de 20% da energia consumida no mundo provém de fontes
renováveis, sendo que cerca de 13 a 14% é gerada a partir da biomassa e 6 a 7% é
gerada a partir de recursos hídricos. No Brasil, em 1940, 80% da energia consumida
era proveniente de biomassa florestal (madeira) e em 1998, apenas 9%,
evidenciando que houve um significativo decréscimo na participação da madeira
como fonte de energia. No entanto, em termos quantitativos, o consumo não se
alterou significativamente, mostrando que existe um mercado cativo para a utilização
da biomassa como fonte de energia (LIMA e BAJAY, 2000).
O Brasil se destaca neste cenário por possuir uma matriz energética mais
limpa que a maioria dos países, uma vez que a participação de fontes de energia
renováveis no país é maior que as fontes não renováveis. Segundo os dados do
Balanço Energético Nacional de 2013 (ano base 2012), o Brasil manteve vantagens
comparativas com o resto do mundo em termos de utilização de fontes renováveis
de energia. Em 2012, oferta interna de energia renovável foi de 42,4%, enquanto a
média mundial foi de 13,2% e nos países da Organização para Cooperação e
Desenvolvimento Econômico (OECD) foi de apenas 8,0% (BRASIL - MME, 2013).
De acordo com Brand et al. (2009), dentro deste contexto, a biomassa tem as
mais variadas fontes possíveis, desde agricultura, florestas, indústrias e até resíduos
urbanos e animais. No entanto, visto que as florestas, tanto nativas como
implantadas, apresentam grande diversidade de oferecimento de produtos e que nos
sistemas de exploração grande parte da biomassa não é utilizada, considerando os
resíduos florestais, a potencialidade e a conversão destes em energia excedem os
usos originais prospectados. Segundo Cortez et al. (2008), essa fonte energética
está encontrando mercado, em consequência do desenvolvimento tecnológico e dos
baixos custos que representa sua utilização eficiente.
No campo energético, a madeira é tradicionalmente chamada de lenha e,
nessa forma, sempre ofereceu histórica contribuição para o desenvolvimento da
humanidade, tendo sido sua primeira fonte de energia, inicialmente empregada para
aquecimento e cocção de alimentos. Ao longo dos tempos, passou a ser utilizada
14
como combustível sólido, liquido e gasoso, em processos para a geração de energia
térmica, mecânica e elétrica (BRITO, 2007).
O uso da madeira para energia, é um componente de vital importância no
suprimento de energia primária, especialmente no uso doméstico e industrial, nesse
contexto, o trabalho buscou chamar atenção para os resíduos florestais, por
constituírem parte importante na disponibilidade da biomassa, por apresentar
grandes quantidades geradas na colheita e na ação industrial. Além de trazer a
importância da utilização de biomassa para energia, pois apresenta relevância para
o desenvolvimento sustentável, e a preservação do meio ambiente, por ser uma
energia renovável.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
O presente trabalho tem como objetivo avaliar a utilização de biomassa com
fins energéticos e vantagens ambientais. Apresentar um estudo de caso sobre a
estimativa do poder calorífico de madeiras de diferentes espécies, utilizadas como
energia em estabelecimentos comerciais que usam fornos para a cozedura de
alimentos.
1.1.2 Objetivos específicos
 Fazer um levantamento, em forma de estudo bibliográfico, das principais
fontes de biomassa utilizadas no Brasil para aproveitamento energético;
 Discutir as vantagens e desvantagens de cada fonte de biomassa estudada;
 Pesquisar e analisar os métodos utilizados no aproveitamento dos resíduos
para fins energéticos;
 Desenvolver um estudo de caso com estabelecimentos da cidade de Pelotas,
que utilizam a lenha para a cocção de alimento, avaliando o poder calorífico
das diferentes espécies de lenha empregadas.
15
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Biomassa
A Biomassa é definida como todo material orgânico de origem vegetal. Este
material deriva da reação entre gás carbônico (CO 2 no ar), água (H2O) e luz solar,
ou seja, pelo processo de fotossíntese, qual armazena fração de energia solar nas
ligações químicas de seus componentes (SOUZA; SORDI; OLIVA, 2002).
Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica,
térmica ou elétrica é classificada como biomassa. De acordo com a sua origem,
pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar,
entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os
derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial
energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para
obtenção dos energéticos (ANEEL, 2008).
Quando os laços adjacentes entre moléculas de carbono, hidrogênio e oxigênio
são quebrados por combustão, digestão, ou decomposição, estas substâncias
liberam sua energia química armazenada. A utilização da biomassa como matéria
prima de conversão depende das propriedades químicas e físicas das moléculas
(MCKENDRY,2002).
A Figura 1 mostra um esquema das fontes de biomassa, onde os vegetais nãolenhosos e vegetais lenhosos, são os de origem florestal, os resíduos orgânicos,
referem-se aos de origens agrícolas, urbanos e industriais, já a biomassa obtida dos
biofluidos provenientes dos óleos vegetais (por exemplo, mamona e soja).
Segundo Cortez et. al. (2008), a biomassa voltada para fins energéticos, abrange
a utilização desses vários resíduos para a geração de fontes alternativas de energia.
Apresenta diferentes tecnologias para o processamento e transformação de energia,
mas todas as tecnologias de biomassa atualmente usadas no mundo possuem dois
16
problemas cruciais: o custo da biomassa e a eficiência energética de sua cadeia
produtiva.
Figura 1 – Fontes de Biomassa
Fonte: Ministério de Minas e Energia, 1982.
2.2 Biomassa no Brasil
Entre as fontes para produção de energia, a biomassa apresenta um grande
potencial de crescimento nos próximos anos, de acordo com os estudos de
planejamento do Ministério de Minas e Energia (MME). Ela é considerada como uma
alternativa viável para a diversificação da matriz energética do país, em substituição
aos combustíveis fósseis, como petróleo e carvão, por exemplo (PORTAL BRASIL,
2011).
A geração de energia elétrica no Brasil provém essencialmente de duas
fontes energéticas, o potencial hidráulico e o petróleo, com grande predominância da
17
primeira. Apesar da importância dessas fontes, o Brasil dispõe de várias alternativas
para geração de energia elétrica, dentre as quais aquelas derivadas da biomassa.
Em relação à biomassa, particularmente, há uma grande variedade de recursos
energéticos, desde culturas nativas até resíduos de diversos tipos. No entanto, a
pouca informação a respeito do potencial energético desses resíduos limita o seu
efetivo aproveitamento (BRASIL-ANEEL, 2002).
Segundo a pesquisa realizada pela IEA Bioenergy Task 40 - divisão
especializada em bioenergia da Agência Internacional de Energia - aponta que o
Brasil é o país que mais utiliza biomassa na produção de energia, sendo16% do uso
mundial no setor. Em seguida estão os EUA (9%) e Alemanha (7%). Conforme
material publicado, os 15 países do topo dessa lista representam 65% do uso global
de biomassa na matriz energética. Atualmente, a biomassa representa cerca de 10%
da produção de energia global (JORNAL DA ENERGIA, 2013).
De acordo com o Banco de Informações de Geração da Agência Nacional de
Energia Elétrica (Aneel), em novembro de 2008 existam, no Brasil, 302 termelétricas
movidas a biomassa no país que correspondem a um total de 5,7 GW (gigawatts)
instalados. Do total de usinas relacionadas, 13 são abastecidas por licor negro
(resíduo da celulose) com potência total de 944 MW; 27 por madeira (232 MW); três
por biogás (45MW); quatro por casca de arroz (21 MW) e 252 por bagaço de cana (4
mil MW) (BRASIL – ANEEL, 2008).
Dados do Balanço Energético Nacional (edição 2003) revelam que a participação
da biomassa na matriz energética brasileira é de 27%, a partir da utilização de lenha
de carvão vegetal (11,9%), bagaço de cana-de-açúcar (12,6%) e outros (2,5%). O
potencial autorizado para empreendimentos de geração de energia elétrica, de
acordo com a ANEEL, é de 1.376,5 MW, quando se consideram apenas centrais
geradoras que utilizam bagaço de cana-de-açúcar (1.198,2 MW), resíduos de
madeira (41,2 MW), biogás ou gás de aterro (20 MW) e licor negro (117,1 MW)
(AMBIENTE BRASIL, 2004).
Lora e Andrade, (2004) apud Soares et al (2006), apontam que tanto em escala
mundial como no Brasil, o potencial energético da biomassa é enorme, podendo se
18
tornar uma das soluções para o fornecimento de eletricidade em comunidades
isoladas, incentivando o desenvolvimento de atividades extrativistas sustentáveis
que contribuam para o desenvolvimento destas comunidades.
2.3 Fontes de biomassa
2.3.1 Resíduos sólidos urbanos
Segundo a Norma Brasileira 10.004 resíduos são aqueles que:
Resíduos nos estados sólido e semi-sólido, que resultam de atividades de
origem industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e
de varrição. Ficam incluídos nesta definição 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 tornem inviável o seu lançamento na rede pública de
esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e
economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível (BRASIL
- ABNT, 1987).
Já a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) – Lei Federal nº 12.305 de
agosto de 2010, define resíduos como:
Material, substância, objeto ou bem descartado resultante de atividades
humanas em sociedade, a cuja destinação final se procede, se propõe
proceder ou se está obrigado a proceder, nos estados sólido ou
semissólido, bem como gases contidos em recipientes e líquidos cujas
particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de
esgotos ou em corpos d’água, ou exijam para isso soluções técnica ou
economicamente inviáveis em face da melhor tecnologia.
A quantidade de resíduos sólidos produzida atualmente no mundo é muito
grande e seu mau gerenciamento, além de provocar gastos financeiros significativos
e sérios danos ao meio ambiente, pode comprometer a saúde e o bem-estar da
população (SILVA et. al, 2010).
O volume de resíduos produzido no Brasil foi de 273 mil toneladas por dia em
2013 (BRASIL – CAMARA DO DEPUTADOS, 2013), se o país continuar avançando
lentamente no setor e, se não acelerar o ritmo, terá apenas 60% de seu resíduo
sendo destinado corretamente em 2014 (SPITZCOVSKY, 2013). Embora o excesso
de resíduo sólido seja um problema, seu manejo, se devidamente administrado,
19
pode se transformar em solução. O gerenciamento integrado de resíduos sólidos
urbanos pode conservar e gerar energia (BRASIL – SECRETARIA DA ENERGIA,
2014).
A geração pode ocorrer por vários processos, como a queima do biogás
recuperado dos aterros sanitários, a incineração ou a gaseificação – todos utilizados
como combustível. Caso fosse totalmente aproveitado, estima-se que o potencial de
geração de energia de todo o lixo seria suficiente para abastecer em 30% a
demanda de energia elétrica atual do Brasil (BRASIL – SECRETARIA DA ENERGIA,
2014).
Os RSU no Brasil são ricos em matéria orgânica - cerca de 50% a 60% - o
que
ofereceria
oportunidades
importantes
na
geração
de
energia
e
na
compostagem, em vez da solução geralmente aceita, que é a disposição em aterros
sanitários. Em países desenvolvidos, as diretrizes são opostas, pois o Landfill
Directive da União Européia (UE) já recomendava a redução drástica do envio de
materiais biodegradáveis para aterros sanitários até o ano de 2006, com o objetivo
de erradicar totalmente o aterramento desses materiais. Na UE, a potência instalada
a partir de RSU em 2000 era de 8.800 MW (8.8 GW) (BRASIL – MMA, 2014).
O teor de matéria orgânica (C, H, O, N) do resíduo brasileiro está em 60%
aproximadamente, o que lhe confere bom potencial energético. O Poder Calorífico
Inferior (PCI) médio do resíduo domiciliar é de 1.300 kcal/kg (5,44 MJ/kg) (CORTEZ,
2008).
2.3.2 Resíduos agrícolas
O Brasil é considerado como um dos maiores produtores agrícolas devido à
várias razões, desde a disponibilidade de área para cultivo, possibilidade de
introdução de culturas variadas à posição geográfica (condições climáticas
adequadas), além de sua rica biodiversidade e tecnologia avançada, afigura-se,
portanto como um fornecedor com potencial altíssimo de matérias primas (resíduos)
para a produção de bioenergia (VIEIRA, 2012).
20
Os resíduos de origem agrícola são aqueles que têm origem nas atividades
agrícolas e de pecuária. Incluem embalagens de fertilizantes e de defensivos
agrícolas, rações, restos de colheita e esterco animal. As embalagens de produtos
agroquímicos, geralmente altamente tóxicos, têm sido alvo de legislação específica
quanto aos cuidados para com a sua destinação final (PAVAN, 2010).
Segundo Nonhebel (2007) apud Viera (2012) as biomassas mais significativas
com relação a energia, são aquelas obtidas de culturas energéticas e resíduos
agrícolas, estes originam-se de material vegetal gerados no sistema de produção de
outros produtos. A tabela 01 mostra a produção agrícola assim como a quantidade
de resíduos que a mesma gera.
A cana-de-açúcar é a matéria-prima de maior produção em todo o mundo,
produção esta encabeçada pelo Brasil com quase 400 milhões (Mt) de produção
anual, seguido por Índia, China, Tailândia, Paquistão e México. A China é o maior
produtor de arroz (187 milhões de Mt), os Estados Unidos são o maior produtor de
milho (300 milhões de Mt) e de soja (86 milhões de Mt), a União Européia é a maior
produtora de beterraba com quase 127 milhões de Mt. A Europa e os Estados
Unidos são os principais concorrentes do maior produto energético obtido da
biomassa, o álcool da cana-de-açúcar, já que a beterraba e o milho são utilizados
por esses países para a obtenção do produto emergente (CORTEZ, 2008).
Tabela 1: Disponibilidade de Resíduos Vegetais
Produção
Produção de
Produção Total de
Agrícola (tons)*
Resíduos (t/há)**
Resíduos (tons)***
Cana (Bagaço)
396.012.158
7.0 – 13.0
59.401.824
Arroz (Casca)
10.334.603
4.0 – 6.0
2.937.094
Mandioca (Rama)
21.961.082
6.0 – 10.0
6.542.206
Miliho (Palha e Sabugo)
48.327.323
5.0 – 8.0
64.028.870
Soja (Resto da Cultura)
51.919.440
3.0 – 4.0
80.746.839
Matéria Prima
* IBGE 2004 ** Nogueira et al (2000) *** Calculado em base seca
21
2.3.3. Resíduos Industriais
Segundo a Norma Regulamentadora N.º 25 (NR 25), estabelecida pela
portaria n.º 227 de 24 de maio de 2011, entende-se como resíduos industriais
aqueles provenientes dos processos industriais, na forma sólida, líquida ou gasosa
ou combinação dessas, e que por suas características físicas, químicas ou
microbiológicas não se assemelham aos resíduos domésticos, como cinzas, lodos,
óleos, materiais alcalinos ou ácidos, escórias, poeiras, borras, substâncias lixiviadas
e aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem
como demais efluentes líquidos e emissões gasosas contaminantes atmosféricos.
Os resíduos são originados nas atividades dos diversos ramos da indústria,
tais como: o metalúrgico, o químico, o petroquímico, o de papelaria, da indústria
alimentícia, etc. (KRAEMER, 2005). O resíduo industrial é bastante variado,
podendo ser representado por cinzas, lodos, óleos, resíduos alcalinos ou ácidos,
plásticos, papéis, madeiras, fibras, borrachas, metais, escórias, vidros e cerâmicas.
Nesta categoria, inclui-se a grande maioria do resíduo considerado perigoso. Esse
tipo de lixo necessita de tratamento especial pelo seu potencial de envenenamento
(BRASIL, 2004).
Segundo Cortez (2008), dos 5.471 municípios do país, apenas 551 fizeram o
controle dos resíduos gerados pelo setor produtivo privado em 2003, e foram 1,4
milhão de toneladas de resíduos gerados somente nos principais pólos industriais do
Brasil. De acordo com esse estudo, são geradas anualmente no Brasil
aproximadamente 2,9 milhões de toneladas de resíduos sólidos industriais, sendo
600 mil toneladas, um valor próximo de 22%, que recebem tratamento adequado.
2.3.4 Biomassa florestal
2.3.4.1 Florestas energéticas
Termo utilizado a partir da década de 1980 para definir as plantações com
grande número de árvores por hectare e, consequentemente, com ciclo curto, que
22
tinha como finalidade a produção do maior volume de biomassa por área em menor
espaço de tempo. (MAGALHÃES, 1982).
Segundo dados da Associação Brasileira de Produtores de Florestas
Plantadas (Abraf), dos 8,5 milhões de Km² do território brasileiro, aproximadamente
63,7% são cobertos por florestas nativas, 23,2% ocupados por pastagens, 6,8% pela
agricultura, 4,8% pelas redes de infraestrutura e áreas urbanas, 0,9% pelas culturas
permanentes e apenas 0,6% por florestas plantadas (BRASIL – ABRAF, 2012).
As florestas energéticas são plantadas com o objetivo de evitar a pressão do
desmatamento sobre as florestas naturais. Elas contribuem também para o
fornecimento de biomassa florestal, lenha e carvão de origem vegetal. Além disso, o
reflorestamento para uso energético diminui a pressão sobre as florestas nativas e
desempenha importante papel na utilização de terras degradadas (BRASIL SEBRAE, 2014).
2.3.4.2 Resíduos florestais
A biomassa florestal, essencialmente é uma forma de energia solar
armazenada, as árvores usam a luz solar, na fotossíntese, para converter o dióxido
de carbono (CO2) e água (H2O) em produtos de alto teor energético, que são os
carboidratos e oxigênio (KARCHESY e KOCH, 1979).
A biomassa florestal, para fins energéticos, pode ter origem diretamente na
floresta, onde são considerados todos os materiais orgânicos que sobram na floresta
após a colheita. Podemos citar sobras de madeira, com ou sem casca, os galhos
grossos e finos, as folhas, os tocos, as raízes, a serapilheira e a casca (PULITO e
JUNIOR, 2009). Na indústria transformadora de madeira onde são gerados uma
enorme quantidade e diversidade de sub-produtos e resíduos, nomeadamente,
casca, serrim, retestos e produtos rejeitados. Por último pode ser oriunda de
produtos lenhosos em fim de vida cuja fonte é diversa, desde a contrução civil,
atividades agro-florestais e o setor dos serviços (MALHEIRO, 2011).
23
Os resíduos florestais constituem parte importante na disponibilidade da
biomassa em alguns países pelas grandes quantidades geradas na colheita e na
ação industrial. Essa fonte energética está encontrando mercado, em consequência
do desenvolvimento tecnológico e dos baixos custos que representa sua utilização
eficiente (CORTEZ, 2008).
Segundo Quirino (2003) os resíduos florestais podem ser reciclados e
reutilizados como matéria-prima em um processo diferente daquele de origem como,
por exemplo, ser utilizado energeticamente na produção de calor, de vapor ou de
eletricidade em grupos geradores ou termelétricas. Outro aproveitamento desse
resíduo é sob a forma de combustível sólido, como o carvão vegetal que é utilizado
nas indústrias siderúrgicas como termo-redutor ou como um carvão ativo. O carvão
também pode ser gaseificado, transformando-se em um combustível gasoso ou
utilizado como gás de síntese.
Os resíduos de madeira diretamente da floresta, contribuem positivamente na
substituição de 14-27 milhões de tep.ano-1. Os biocombustíveis, incluindo resíduos
florestais, tornam-se mais concorrentes ao passo que aumenta o preço dos
combustíveis fósseis no mercado mundial (BALAT, 2006 apud MENEZES, 2013).
Iniciativas como preços fixos e subsídios para a colheita de biomassa florestal
a ser utilizada como combustível contribui para o crescimento econômico e tornam
estas fontes renováveis mais competitivas. Assim, o uso da biomassa como fonte de
energia limpa vem ganhando importância ao passo que as estratégias de política
nacional de energia concentram-se em fontes renováveis e de conservação
(DEMIRBAS et al., 2009).
2.3.4.3 Carvão vegetal
A produção de carvão vegetal ocorre pela carbonização da madeira em fornos
de
alvenaria,
em
processos
dispersos,
pouco
mecanizados
e
altamente
dependentes de trabalho humano. A produção de carvão vegetal no Brasil provém,
predominantemente, da exploração de florestas nativas, apesar do aumento da
importância do carvão de origem plantada (AMS, 2007).
24
O consumo do carvão vegetal está diretamente relacionado ao setor
industrial, em especial à indústria siderúrgica. O setor industrial consumiu 8,7
milhões de toneladas de carvão vegetal em 2005, 90,5% do total. As atividades
industriais que mais consomem o carvão vegetal são a produção do ferro-gusa
(84,9%), a produção de ferro liga (10,1%) e a fabricação de cimento (4,4%)
(BRASIL, 2006 apud UHLIG, 2008). O comércio de carvão vegetal em 2005 totalizou
5,5 milhões de toneladas e gerou 1,7 bilhões de reais em vendas (IBGE, 2006)
2.3.4.4 Lenha
No campo energético, a madeira é tradicionalmente chamada de lenha e,
nessa forma, sempre ofereceu histórica contribuição para o desenvolvimento da
humanidade, tendo sido sua primeira fonte de energia, inicialmente empregada para
aquecimento e cocção de alimentos. Ao longo dos tempos, passou a ser utilizada
como combustível sólido, liquido e gasoso, em processos para geração de energia
térmica, mecânica e elétrica (BRITO, 2007).
O consumo de lenha está associado à disponibilidade de vegetação. Em
2005, existiam 3,95 bilhões de hectares de florestas, que correspondem a 30,3% da
superfície terrestre (FAO, 2006). O volume de madeira atualmente consumido para
energia é da ordem de 220 milhões de metros cúbicos anuais (BRASIL – MME,
2007), sendo que seu consumo como matéria-prima industrial atinge 142,7 milhões
de metros cúbicos, compreendendo a produção de celulose e papel, serrarias,
chapas e painéis. Desse modo, conclui-se que 69% da madeira usada no Brasil têm
destinação energética, o que sem nenhuma contestação, representa o maior volume
de madeira vinculada a um determinado uso no país (AMS, 2014).
A FAO (2006) estima que, em 2005, 1,5 bilhão de m³ st foi utilizado como
lenha, porém reconhece que existe uma quantidade de madeira retirada
informalmente (ou ilegalmente) que não é contabilizada e, portanto o consumo de
lenha é seguramente maior. Por se tratar de uma fonte de energia de baixo custo,
não necessitar de processamento antes do uso e ser parte significativa da base
25
energética dos países em desenvolvimento, tem recebido a denominação de
“energia dos pobres”, chegando a representar até 95% da fonte de energia em
vários países.
2.4 Caracterização geral da biomassa
A caracterização da biomassa é quem determina a escolha do processo de
conversão e as dificuldades de processamento sub sequentes que possam surgir
(VIEIRA, 2012).
2.4.1 Estrutura da biomassa
Basicamente a Biomassa é um hidrocarboneto, qual possui átomos de
oxigênio na sua composição química, diferentemente dos combustíveis fósseis. A
presença desse átomo faz com que a biomassa requeira menos oxigênio do ar,
sendo menos poluente, mas consequentemente sua quantidade de energia a ser
liberada é reduzida, diminuindo assim o seu Poder Calorífico Superior (ECKERT et
al., 2013).
A celulose, hemicelulose e lignina são os principais componentes da
biomassa vegetal, sendo que o teor de celulose varia de 40 a 50%, a hemicelulose
de 20 a 40% e o teor de lignina de 25% (MARTINI, 2009), conforme representado na
figura 2.
26
Figura 2: Composição da Biomassa Vegetal
Fonte: Nogueira, 2007
2.4.1.1 Propriedades físicas da biomassa
2.4.1.1.1 Massa específica
A Massa específica pode ser dividida em massa específica ou massa
específica aparente (VIEIRA, 2012). A Massa Específica de uma substância é a
razão entre a massa de uma quantidade da substância e o volume correspondente
(PRÄSS, 2013).
Quando a matéria é continua (não existem descontinuidades), esta representa
Massa Específica Aparente. Porém para resíduos este conceito não se aplica, pois
existem vários pedaços do mesmo material ocupando o mesmo volume
(NOGUEIRA; RENDEIRO; ECKERT et al., 2013).
2.4.1.1.2 Densidade
Define-se densidade como a razão entre a massa específica da biomassa
pela massa específica da água (pH2O) na condição padrão (25°C e 100 kPa), ou
seja 1000 kg/m3 como pode ser observado na equação 02 (NOGUEIRA;
27
RENDEIRO; VIEIRA, 2012).
(01)
2.4.1.1.3 Teor de umidade
O teor de umidade, indica a quantidade de água presente no material,
(QUIRINO et al., 2005). Sua determinação é de grande importância, pelo fato de que
a água apresenta um poder calorífico negativo, uma vez que necessita de calor para
evaporá-la (BRITO; BARRICHELO, 1979).
Teor de umidade pode ser definido como a massa de água contida na
biomassa e pode ser expressa tanto na base úmida quanto na base seca, qual pode
ser avaliada pela diferença entre os pesos de uma amostra, antes e logo após ser
submetida à secagem (NOGUEIRA, 2003).
2.4.1.1.4 Teor de cinzas
Conforme Nogueira e Rendeiro (2008), citado por Vieira (2012), os resíduos
resultantes da combustão dos componentes orgânicos e oxidações dos inorgânicos
são caracterizadas como teor de cinzas. Assim, as cinzas são resultadas da
combustão da biomassa, a qual se processa em altas temperaturas, tornando-se
necessário conhecimento do comportamento destas cinzas para evitar operações
inadequadas. As mesmas podem originar-se de elementos metálicos já presentes no
combustível; de argila, areia e sais que possam estar na biomassa e ainda por solos
misturados a biomassa durante sua colheita ou manuseio.
As cinzas vegetais contêm cálcio, magnésio, fósforo e outros elementos,
alguns essenciais para o desenvolvimento dos seres vivos, como Cu, Zn, Mg e B
(OSAKI e DAROLT, 1991). Quando em alta concentração podem diminuir o poder
calorífico (PC), podem ainda causar perda de energia e sua presença afeta também
a transferência de calor sendo, portanto necessário a remoção das mesmas
(STREHLER, 2000; KLAUTAU, 2008; VIEIRA, 2012).
28
2.4.1.1.5 Poder calorífico
O Poder Calorífico é a quantidade de calor liberada pela combustão completa
da unidade de massa (ou volume) do combustível (QUIRINO, 2011). Quando ocorre
combustão completa de uma unidade de combustível este libera energia térmica e é
geralmente medido em termos da energia por conteúdo por unidade de massa ou
volume, daí Mj/kg (sólidos), a Mj/l para líquidos e por fim para gases para Mj/Nm3.
De uma maneira geral, essa propriedade depende da composição da biomassa e do
seu grau de umidade (NOQUEIRA, 2003 apud VIEIRA, 2012).
O poder calorífico é dito superior (PCS) quando a combustão se efetua a
volume constante e a água formada na combustão é condensada (CÔTÉ, 1968;
SANTOS, 2012). Já o poder calorífico inferior (PCI) é resultante da combustão sob
pressão constante, ao ar livre, sem a condensação da água formada (DOAT, 1977)
e desse modo, seu valor é menor que a PCS (SANTOS, 2012).
Tanto o Poder Calorífico Superior (PCS) ou Inferior (PCI) de uma determinada
biomassa é a propriedade físico-química mais importante a considerar para a
escolha de um processo termoquímico (CARIOCA, 1985; FILHO, 2009; VIEIRA,
2012).
2.4.2 Tecnologias de aproveitamento da biomassa
2.4.2.1 Combustão direta
Combustão é a transformação da energia química dos combustíveis em calor,
por meio das reações dos elementos constituintes com o oxigênio fornecido. Para
fins energéticos, a combustão direta ocorre essencialmente em fogões (cocção de
alimentos), fornos (metalurgia, por exemplo) e caldeiras (por exemplo). Embora
muito prático e, às vezes, conveniente, o processo de combustão direta é
normalmente muito ineficiente. Outro problema da combustão direta é a alta
umidade (20% ou mais no caso da lenha) e a baixa densidade energética do
combustível (lenha, palha, resíduos etc.), o que dificulta o seu armazenamento e
transporte (ANEEL, 2005).
29
2.4.2.2 Gaseificação
Gaseificação é um processo de conversão de combustíveis sólidos em
gasosos, por meio de reações termoquímicas, envolvendo vapor quente e ar, ou
oxigênio, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a
combustão) (ANEEL, 2005).
Nos processos mais simples, o gás resultante contém cerca de 30% de
nitrogênio e 20% de CO2, o que significa um combustível de baixo conteúdo
energético (cerca de 900 kcal/m3) e impróprio para certos fins. Contudo, as
vantagens da eliminação de poluentes tende a compensar o processo, de modo que
o combustível resultante pode ser de grande importância para uso local. (SANCHEZ;
LORA; GÓMEZ, 1997).
2.4.2.3 Pirólise
A pirólise ou carbonização é o mais simples e mais antigo processo de
conversão de um combustível (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e
conteúdo energético (carvão, essencialmente). O processo consiste em aquecer o
material original (normalmente entre 300°C e 500°C), na “quase ausência” de ar, até
que o material volátil seja retirado. O principal produto final (carvão) tem uma
densidade energética duas vezes maior que aquela do material de origem e queima
em temperaturas muito mais elevadas. Além de gás combustível, a pirólise produz
alcatrão e ácido piro-lenhoso (CENBIO, 2013).
Nos processos de pirólise rápida, sob temperaturas entre 800°C e 900°C,
cerca de 60% do material se transforma num gás rico em hidrogênio e monóxido de
carbono, o que a torna uma tecnologia competitiva com a gaseificação. Todavia, a
pirólise convencional (300°C a 500°C) ainda é a tecnologia mais atrativa, devido ao
problema do tratamento dos resíduos, que são maiores nos processos com
temperatura mais elevada (RAMAGE; SCURLOCK, 1996).
30
2.4.2.4 Liquefação
A transformação da biomassa, ou outras fontes fósseis de carbono, em
produtos majoritariamente líquidos recebe o nome de liquefação. A liquefação pode
ser direta ou indireta. Esta última consiste em produzir gás de síntese, CO + H2, por
gaseificação e, com catalisador, transformá-lo em metanol ou hidrocarboneto. Já o
processo direto se dá em atmosfera redutora de hidrogênio ou mistura de hidrogênio
e monóxido de carbono, sendo, portanto, uma forma de pirólise (BOYLES, 1984;
SOLTES, 1986; ROCHA, 1997).
2.4.2.5 Cogeração
O processo de cogeração é a geração simultânea de energia térmica e
mecânica, a partir de uma mesma fonte primária de energia. As formas de energia
útil mais frequente são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e
turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor).
A energia mecânica pode ser utilizada na forma de trabalho, por exemplo, no
acionamento das moendas em usinas sucroalcooleiras, ou transformada em energia
elétrica através de geradores de eletricidades. A energia térmica é utilizada neste
setor como fonte de calor para processos em geral (CENBIO, 2013).
2.4.2.6 Hidrólise
Hidrólise é a “quebra” da biomassa lignocelulósica, que é composta por
polissacarídeos em açúcares menores para eventual fermentação e produção de
etanol. Os processos de conversão do material lignocelulósico em etanol são
diferenciados principalmente quanto aos métodos de hidrólise e fermentação,
estágios esses que estão menos amadurecidos tecnologicamente. Os processos de
hidrólise podem ser divididos em duas categorias: aqueles que usam os ácidos
minerais (diluído ou concentrado), como por exemplo o ácido sulfúrico, e os que
usam enzimas (MOREIRA 2005; CEMBIO 2013).
31
3. METODOLOGIA
A realização deste estudo aproxima-se de um estudo de caso, pois segundo
Cesar (2006), o método do Estudo de Caso enquadra-se como uma abordagem
qualitativa e é frequentemente utilizado para coleta de dados na área de estudos
organizacionais. Ventura (2007), diz que com este procedimento pode adquirir
conhecimento do fenômeno estudado a partir da exploração intensa de um único
caso.
3.1 Características do local de estudo
O estudo foi desenvolvido no Município de Pelotas no Estado do Rio Grande
do Sul, com latitude de 31º46'19" e longitude 52º20'33”, população de
aproximadamente 323.000 habitantes, sendo 300.000 na zona urbana, ficando entre
as cidades mais populosas do estado.
O município conta com os três setores da economia (primário, secundário e
terciário), sendo que, em 2004, possuía 707 unidades empresariais ligadas a
alimentação e alojamento, onde algumas dessas empresas do setor de alimento,
como panificadoras e restaurantes, ainda utilizam a lenha para a cocção de seu
alimento. Foram escolhidos como locais, para o estudo, restaurantes e panificadoras
que possuem tradição no uso de forno a lenha para preparação de seus alimentos, e
que utilizam isso como um diferencial.
3.2 Delineamento da pesquisa
A pesquisa buscou estimar o poder calorífico referentes as espécies florestais
usadas como energia na cozedura dos alimentos de panificadora e restaurantes
(parillas e pizzarias) da Cidade de Pelotas. Diante disso, obter informações dos tipos
e qualidade das espécies utilizadas.
32
Dessa forma a fonte para coleta das amostras de madeira foram os próprios
estabelecimentos, que cederam algumas de suas toras para o estudo. Assim foram
identificadas as espécies florestais utilizadas como energia, suas densidades, e os
teores de umidade, para posteriormente estimar ao poder calorífico.
3.3 Coleta e tratamento das amostras
Em cinco estabelecimentos, coletou-se, aleatoriamente, cinco amostras de
toras de madeira (com casca), usadas para a produção de energia (para cozimento).
Em três dos estabelecimentos foram arrecadadas amostras de acácia negra e nos
outros dois locais foram coletadas amostras de Eucalyptus spp., vide tabela 02.
Tabela 02: Estabelecimentos (E), atividade desenvolvida e espécie florestal utilizada
Estabelecimento
Atividade
Espécie
Desenvolvida
Florestal
E1
Parrilla
Acácia Negra
E2
Pizzaria
Acácia Negra
E3
Panificadora
Acácia Negra
E4
Panificadora
Eucalipto
E5
Panificadora
Eucalipto
Em cada um dos estabelecimentos foi aplicado um questionário com
perguntas a respeito do tempo de armazenamento, características da madeira e se o
local já havia utilizado alguma outra espécie, para que posteriormente pudesse ser
feita a relação dos resultados com os dados obtidos nas questões. O questionário
segue em anexo (Anexo 1).
Após a coleta das amostras, as mesmas foram encaminhas ao Laboratório de
Propriedades Físicas e Mecânicas da Madeira, do curso de Engenharia Industrial
Madeireira da Universidade Federal de Pelotas.
No laboratório, com o auxílio de uma serra circular, retirou-se as extremidades
das toras, pois essas perdem umidade por estarem diretamente em contato com o
33
meio. Em
seguida foram
retirados três discos
da
mesma
amostra,
de
aproximadamente 50 mm, serrados separadamente ao longo da tora (vide Figura 3).
Posterior, com um lápis cópia, demarcou-se cada disco no formato de 4
cunhas, onde duas das cunhas (opostas) foram utilizadas para a medição de massa
específica básica e outras duas cunhas para o teor de umidade. Para a demarcação
das cunhas utilizou-se de nomenclaturas inicial do estabelecimento e o destino da
utilização, conforme representado na Figura 4. Para a confecção das cunhas, usouse ainda a serra, obedecendo à demarcação feita anteriormente.
Figura 3: Discos das lenhas utilizadas como amostras.
34
Figura 4: Demarcação das cunhas e nomenclaturas.
3.3.1 Determinação do teor de umidade
Para a determinação do Teor de Umidade, utilizou-se uma balança analítica
de precisão, onde aferiu-se o peso inicial de cada cunha, pré-determinadas, como
explicada anteriormente. Após a anotação dos pesos das amostras, as mesmas
foram encaminhadas para estufa, onde permaneceram por uma semana a uma
temperatura de 103ºC, para obter o peso seco da peça de madeira, através de uma
nova pesagem. Tanto o peso seco como o peso inicial foram registrados em
formulário específico para cada corpo de prova. Com o peso inicial (P U) da madeira
e o peso seco (PO) da peça, determinou-se o TU através da equação 02, abaixo:
(02)
3.3.2 Determinação da massa específica básica
Para a obtenção da massa específica básica, as amostras foram
primeiramente submersas em água por um período de 45 dias, com o objetivo de
que atingissem peso saturado, para posterior determinação do volume pelo método
de empuxo (deslocamento por imersão em água), conforme sugerido por Vital
(1984), vide Figura 5.
35
Após a obtenção do volume, colocaram-se os corpos de prova em uma estufa
a uma temperatura de 103ºC, por 72 horas, sendo então pesados novamente,
obtendo assim o peso seco correspondente. Tanto o peso seco como o volume
foram registrados em formulário específico para cada corpo de prova. Para a
obtenção dos valores de Massa Específica Básica, expressa em gramas por
centímetros cúbicos, avaliou-se o peso seco (PS) da madeira em relação ao volume
úmido (Vu), através da equação 03, sugerida por Präss, 2013.
(03)
Figura 5: Determinação da massa específica básica
3.3.3 Determinação do poder calorífico
Para o cálculo da estimativa do poder calorífico, usou-se uma modificação da
equação sugerida por Nock et al (1975), adaptada por Gatto (2002), para espécies
florestais, conforme a Equação 4:
36
(04)
Em que: Pci = poder calorífico inferior (Kwh/m³); MBás = massa específica básica
(Kg/m³); Tu = teor de umidade (%).
3.3.4 Análise estatística
Para a análise estatística dos dados, utilizou-se primeiramente análise de
variância de cada um dos parâmetros (teor de umidade, massa específica básica e
poder calorífico) em função dos estabelecimentos que as amostras foram coletadas.
Para isso utilizou-se o programa estatístico STATGRAPHICS Centurion XVI Versão
16.1.15. Para os parâmetros que apresentam diferença significativa de 1%, aplicouse, no mesmo programa, o teste de comparação de médias, pelo método LSD
(Least Significant Difference), a um nível de significância de 5%
37
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para a avaliação do poder energético da madeira em estudo, levou-se em
consideração o teor de umidade, massa específica básica e o poder calorífico, para
as duas espécies em estudo, Acácia e Eucalipto. Junge (1975), Arola (1976) e
Corder (1976), itados por Brito & Barrichelo (1978) indicam essas propriedades
como as mais importantes da madeira para sua utilização como combustível.
4.1 Teor de umidade
O teor de umidade foi analisado por ser uma das características que
influenciam diretamente no poder calorífico da madeira, pois esta diminui o calor
liberado pela combustão.
Os resultados da análise de teor de umidade estão apresentados na Tabela 3,
conforme
a análise de
variância
do teor de umidade
em função dos
estabelecimentos, onde esta variável apresentou diferença significativa ao nível de
1% de probabilidade. Com isso foi aplicada análise de comparação de médias,
através do teste Least Significant Difference (LDS), conforme representado na tabela
4.
Tabela 3: Análise de variância para o teor de umidade em função dos
estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.
FV
GL
SQ
QM
F
Prob.>F
Estabelecimentos
4
908,728
227,18
8,04
0,000*
Erro
66
1864,98
28,257
Total
70
2773,71
Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM =
Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo ao
nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.
A análise de comparação de médias do teor de umidade, apresentados na
tabela 4, demostra que os estabelecimentos 1, 2, 3 e 5 não apresentaram diferença
significativa para o teste aplicado, com 5% de significância, diferenciando-se apenas
do E4.
38
Tabela 4. Comparação de médias do teor de umidade da madeira para os cinco
estabelecimentos de coleta das amostras.
Estabelecimento
E1
E2
E3
E4
E5
CP
TU (%)
LSD
12
18,77
A
15
18,73
A
15
21,86
A
15
27,93
B
14
19,05
A
CP = número de corpos-de-prova; TU= teor de umidade da madeira; médias seguidas por letras
iguais não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.
Os teores de umidade apresentados estão próximos ou abaixo do ponto de
saturação das fibras, onde este é de 28%, (SILVA e OLIVEIRA. 2003). De acordo
com Barboza (2003), as madeiras que apresentam teor de umidade acima do ponto
de saturação das fibras implica em maiores custos no transporte do material, além
de ocasionar rendimento energético menor. Ainda Barboza (2003), descreve que as
madeiras que estejam abaixo do ponto de saturação das fibras devem ser
armazenadas em ambiente coberto para evitar a influência das precipitações
(absorção de umidade).
No momento da coleta do material, foi observado que a maioria das pilhas,
tanto de Acácia quanto de Eucalipto, apresentavam uma base de isolamento entre o
material lenhoso e o solo, o que facilita a secagem da lenha, além de evitar o
processo de deterioração da madeira, quando exposto por longo tempo (GATTO,
2002). Nesses locais o isolamento acaba sendo de grande interesse, pois a maioria
dos estabelecimentos não possuem controle de tempo de armazenamento,
conforme constatado no questionaria aplicado, onde com exceção do E1, os outros
não sabiam quanto tempo suas madeiras ficavam secando até serem utilizadas. Já
E1 deixava suas madeiras secando por pelo menos 2 meses antes do uso, o que
justifica seu baixo teor de umidade.
Os valores apresentados na tabela são ideais para serem utilizados como
combustível, pois estão de acordo com o valor estipulado por Percci et. al (2001),
39
inferior a 30%. Para Farinhaque (1981), um bom aproveitamento da combustão da
madeira se dá com teores de umidade abaixo de 25%. Já para Quirino (2005), o
conteúdo de umidade máximo que uma madeira pode ser queimada no forno está
em torno de 65% a 70% em base úmida. E Ince (1980), citado por Cunha et al.
(1989), pondera que a quantidade máxima de água que a madeira pode conter para
entrar em combustão tem sido calculada em aproximadamente 65% na base úmida,
pois madeira muito úmida, com teor de umidade acima deste limite, necessita
calorias de origem externa para secar e entrar em combustão.
Cunha et. al (1989) afirma que quanto maior o conteúdo de umidade da
madeira, menor é o seu poder de combustão, devido ao processo de evaporação da
umidade, o qual absorve energia em combustão. Farinhaque (1981) assegura que a
madeira com teores acima de 25%, não só reduz acentuadamente a quantia de
calorias, mas também a temperatura da câmara de queima e a temperatura dos
gases de escape. Além disso, o excesso de umidade promove a formação de
crostas de fuligem nas chaminés e no interior da câmara de combustão.
4.2 Massa específica básica
A massa específica é um dos principais índices de qualidade da madeira e,
segundo Brasil (1972), citado por Vale (2000), os métodos que se apoiam na massa
específica básica, são os que mais satisfatoriamente medem a quantidade de
substância madeira por unidade de volume.
Na Tabela 5 é apresentada a análise de variância para a massa específica
básica em função dos locais de coleta das amostras de madeira. A análise
apresentou diferença estatística entre os estabelecimentos ao nível de 1% de
probabilidade. Dessa forma, foi aplicado o teste LSD, para que se tivesse a
comparação
de
médias
estabelecimentos (Tabela 6).
das
massas
específicas
básicas
dos
diferentes
40
Tabela 5. Análise de variância para a massa específica básica em função dos
estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.
FV
GL
SQ
QM
F
Prob.>F
Locais
4
0,40863
0,10216
211,26
0,0000*
Erro
66
0,03192
0,00048
-
-
Total
70
0,44055
-
-
-
Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM =
Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo
ao nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.
Tabela 6. Comparação de médias da massa específica básica para os cincos
estabelecimentos de coleta das amostras
Estabelecimento
CP
ME (g/cm³)
LSD
E1
12
0,610
A
E2
15
0,597
B
E3
15
0,587
B
E4
15
0,409
D
E5
14
0,512
C
CP = número de corpos-de-prova; ME= massa específica básica; médias seguidas por letras iguais
não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.
Para a análise de comparação de médias da massa específica básica,
apenas os estabelecimentos 2 e 3 não apresentaram diferença significativa para o
teste aplicado, com 5% de probabilidade, todos os outros estabelecimentos (E1,
E4 e E5) diferenciaram-se entre si.
Como pode ser observado na Tabela 6, a massa específica do eucalipto
obteve valores médios de 0,41 g/cm³ e 0,51 g/cm³, já para as madeiras de acácia os
valores médios foram de 0,61, 0,60 e 0,59 g/cm³. Levando em consideração apenas
a massa específica básica, que as madeiras dos estabelecimentos E1, E2, E3 e E5,
possuem boas características para fins energéticos. A lenha utilizada em E4
encontra-se abaixo da classificação de moderadamente pesada, onde para
madeiras de eucalipto a massa específica básica deve estar entre 0,42 a 0,50 g/cm³
41
(USDA, 1987 apud GATTO et al, 2003), assim o estabelecimento 4, tem que
queimar um volume de madeira maior que os outros estabelecimentos.
Quando comparada a massa específica básica das madeiras de acácia em
relação ao eucalipto, constata-se que os valores, para essa variável, são superiores,
o que proporciona uma maior eficiência energética
Comparando a massa específica (e consequentemente o poder calorífico)
obtida com a de outros materiais, vê-se que a utilização de resíduos é de grande
interesse, pois além de se reaproveitar o resíduo, tem-se a economia de energia. De
acordo com Precci et. al (2001), no que se refere à composição e ao poder
calorífico, os resíduos agrícolas são térmicos e quimicamente equivalentes à
madeira, merecendo, por essa razão, toda a atenção no momento de sua utilização
como combustível, mesmo apresentando energia menos concentrada.
Tabela 7: Poder calorífico de alguns resíduos orgânicos
Umidade Massa Específica Poder Calorífico
(%)
(Kg/m³)
(KJ/Kg)
Resíduo
Casca de Arroz
Casca de Amendoim
Palha de Trigo
Sabugo de Milho
Palha de Café
Serragem de madeira
Bagaço de Cana-de-Açucar
12
12
20
13
13
40
50
140
150
160
220
250
300
150
12.977
12.977
13.395
17.598
15.488
8.372
7.535
Fonte: Precci et. al (2001) - Fontes de Energia para Secagem
Apesar de alguns resíduos apresentarem massa específica menor que os
apresentados pelas espécies de eucalipto e acácia, a utilização de resíduos para a
geração
de
energia
promove
a
melhoria
da
qualidade
ambiental
e
consequentemente do saúde, além de atender a Política Nacional de Resíduos
Sólidos de 2010, que diz em seu Art 36, I - adotar procedimentos para reaproveitar
os resíduos sólidos reutilizáveis e recicláveis oriundos dos serviços públicos de
limpeza urbana e de manejo de resíduos sólidos.
42
4.3 Poder Calorífico
Para Soares (2011), o poder calorífico indica a capacidade potencial de um
material desprender determinada quantidade de calor, quando submetido à queima,
sendo extremamente importante nos processos de tratamento térmico dos resíduos.
Na Tabela 8 são apresentados os dados e resultados obtidos da análise de
variância para o poder calorífico em função dos locais de coleta das amostras de
madeira. Pode-se verificar que os valores para essa variável apresentaram diferença
significativa de 1% de probabilidade.
Tabela 8. Análise de variância para o poder calorífico em função dos
estabelecimentos de coleta das amostras de madeira.
FV
GL
SQ
QM
Estabelecimentos
4
9,56E+06
2,39E+06
Erro
66
853034
12924,8
Total
70
1,04E+07
F
Prob.>F
184,9 0,0000*
Em que: FV = Fonte de Variação; GL = Graus de Liberdade; SQ = Soma dos Quadrados; QM =
Quadrado Médio; F = Valor de F calculado; Prob.>F= Nível de probabilidade de erro; * *Significativo ao
nível de 1% de probabilidade; NS = Não significativo.
Após a análise de comparação de médias do poder calorífico, verificou-se
que os estabelecimentos 1 e 2 não apresentaram diferença significativa para o
teste
aplicado,
com
5%
de
probabilidade.
Em
relação
aos
demais
estabelecimentos, observou-se que estes diferenciaram-se entre si, vide tabela 9.
Os valores apresentados abaixo estão próximos com os encontrados por
GATTO et. al (2003), que encontrou para as madeiras de Eucalyptus spp. poder
calorífico de 1.915 KWh/m³, para uma umidade de 17% e massa específica básica
de 0,44 g/cm³. Já COUTO et. al (2013), encontraram poder calorífico de 2.567
KWh/m³ para as madeiras de Acácia Negra, para umidade de 20% e massa
específica de 0,61 g/cm³. Portanto, os valores encontrados neste trabalho estão de
acordo com os encontrados na literatura.
43
Tabela 9. Comparação de médias do poder calorífico da madeira para os cinco
estabelecimentos de coleta das amostras.
Estabelecimento
E1
E2
E3
E4
E5
CP
PC (Kwh/m³)
LSD
12
2606,77
A
15
2552,81
A
15
2435,67
B
15
1612,45
D
14
2184,49
C
CP = número de corpos-de-prova; PC = Poder calorífico da madeira; médias seguidas por letras
iguais não diferem significativamente entre si; LSD = Least Significant Difference.
O poder calorífico da madeira é inteiramente influenciado pelo teor de
umidade e pela massa específica básica, onde quanto maior o teor de umidade
maior é o gasto energético para evaporar a água presente na madeira, e quanto
menor a massa específica básica menor será o seu poder calorífico. Através da
comparação do poder calorífico entre as duas espécies estudadas, pode-se
perceber que a massa específica básica tem grande importância no poder calorífico,
pois o teor de umidade pode ser controlado através do tempo de exposição. Sendo
assim a espécie mais indicada para a combustão, e no caso do estudo para a
cocção de alimentos, foi à acácia, utilizada nos estabelecimentos 1, 2 e 3 (tabela 9).
A diminuição do poder calorífico pela umidade pode ser vista principalmente
nas amostras do estabelecimento 4, onde, como observada na tabela 3, é a que
apresenta maior teor de umidade, seguida pelas lenhas do estabelecimento 3, que
apesar de ter uma massa específica básica maior que as apresentadas pelas
madeiras de Eucalipto, também tem seu poder calorífico diminuído pela umidade.
A utilização da lenha deve ser analisada junto com outras opções,
considerando a sua combinação com outros fatores, como a existência de outras
fontes de matéria-prima, padrões de consumo que lhe sustente e características
técnicas de produção (DEVES e FRANCIO, 2007). Como visto, outros tipos de
resíduos também possuem potencial energético, e esse reaproveitamento deve ser
analisado, principalmente em locais onde sua disponibilidade seja abundante, visto a
44
importância de investir em energia renovável para viabilizar o desenvolvimento
econômico integrado à questão ambiental, sendo que a utilização dos resíduos
como fonte de energia propicia o desenvolvimento econômico sustentável.
Nesse contexto, assim como Henriques (2004), vê-se a possibilidade de
aproveitamento do biogás (digestão anaeróbia), gerado dos resíduos sólidos, para
uso energético. O poder calorífico do biogás é de 14,9 a 20,5 MJ/m3, ou
aproximadamente 5.800 kcal/m3. Esse valor é próximo ao poder calorífico da
madeira, considerado como 4.500 Kcal/Kg, baseado num teor de umidade de 0%.
Já comparando o poder calorífico da madeira (4.500 Kcal/Kg para 0% de
umidade) com resíduos agrícolas, percebe-se uma fonte interessante de biomassa
para a geração de energia, pois apesar de apresentarem poder calorífico menor
tem-se a possibilidade de ser briquetado, o que aumenta a densidade desses
resíduos e consequentemente o poder calorífico. E conforme pode ser visto por
Quirino et al (2007), a briquetagem permite ter pelo menos 5 vezes mais energia em
1 m3 de briquetes do que em um m3 de resíduo.
Visando a comparação em relação ao controle da matéria prima, foi aplicado
um questionário a todos os dos estabelecimentos (em anexo) e verificou-se que
estes não possuem critérios na escolha da madeira, como o diâmetro, idade de corte
da árvore e o espaçamento do plantio, variáveis que afetam a massa específica
básica. Além disso alguns deles desconhecem a madeira que utilizam não tendo
nenhuma restrição na escolha. Também verificou-se que nunca testaram outras
fontes, como briquetes, ou até mesmo outra biomassa como fonte de energia.
45
5. CONCLUSÕES
O teor de umidade e a massa específica básica influenciam diretamente o
poder calorífico, logo quanto mais seca estiver a madeira, maior será o poder
calorífico. E quanto maior for a massa específica básica, maior será o poder
calorífico. Porém a massa específica básica é mais relevante, pois o teor de
umidade pode ser controlado por tempo de exposição para secagem.
A queima de lenha com alto teor de umidade aumenta os custos de transporte
e diminuí a eficiência energética da lenha. As amostras estudadas não podem assim
ser consideradas, pois seu teor de umidade está igual ou abaixo do ponto de
saturação das fibras, o que representa que toda a água livre, presente na madeira,
foi evaporada, nesse sentido é conveniente que as lenhas se mantenham
protegidas, para que não absorvam umidade do ambiente.
A determinação do poder calorífico é muito importante para o uso energético
da biomassa, pois indica a capacidade potencial de um material de desprender
calor. Formas práticas de determinação e de baixo custo são fundamenteis para
viabilizar suas aplicações
A partir dos resultados obtidos das amostras analisadas, pode-se concluir que
a acácia é mais indicada para a geração de energia através da queima direta, pois
apresenta maior poder calorífico, isso se deve ao fato de apresentar maior massa
específica básica e, nesse estudo, menor teor de umidade.
46
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VITAL, B. R. Métodos de determinação da densidade da madeira. SIF/UFV
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55
APÊNDICE
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
CENTRO DE ENGENHARIAS
ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Questões para desenvolvimento do Estudo de Caso.
Empresa:
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1) Para que finalidade é utilizada a lenha ou madeira no estabelecimento?
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2) Qual é a espécie florestal? Qual a idade de corte da árvore? Qual o espaçamento utilizado no
plantio das árvores?
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3) Qual o tempo de armazenamento (estocagem) da lenha antes do uso?
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4) Quais as dimensões da lenha utilizada?
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5) Já utilizaram outras espécies ou briquete? Qual? Qual apresentou maior eficiência?
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