PROCESOS BIOLÓGICOS DE
CONVERSÃO: BIOETANOL E
BIOGÁS
Rotas de Conversão Energética da
Biomassa
Usos do Biogás
BIOMETANO – UPGRADING DO BIOGÁS
PARA O GÁS NATURAL
ESPECIFICAÇÃO DO BIOGÁS, DO
BIOMETANO E DA REDE DE GÁS
Principais Tecnologias para a Remoção de Impurezas do
Biogás
TENDENCIAS EM DESENVOLVIMENTO
•
•
•
•
•
Utilização de cultivos energéticos.
Maior Produção de Biogás pela Microbiologia.
Biodigestores de alto rendimento no tratamento de águas.
Injeção do biogás à rede de gás.
Uso do Biogás como combustível.
STANDARD ATUAL : COGERAÇÃO
Produção de Energia Elétrica e Térmica:
• Grado de Eficiência de até 42%.
• Coeficiente de Usina do 90%.
• Maturidade tecnológica.
• Grande variedade de oferta.
Importante:
• Serviço e manutenção.
• Experiência do Fabricante.
Esquema geral dos processos de obtenção do
etanol em função da matéria-prima utilizada.
9
Avaliação Termodinâmica e Econômica de
Alternativas de Diversificação da
Produção no Setor Sucroalcooleiro
Brasileiro
10
Motivação:
• Utilização integral da cana de açúcar em aspectos
energéticos e de produtos de alto valor agregado.
• Uso racional de terras de pastagens, com liberação de pastos
por modificações na dieta do gado.
•Produção de biocombustíveis de 2ª geração
11
O Setor Sucroalcooleiro Brasileiro
Atualmente cerca de 430 usinas (UNICA, 2013):
•Usinas de açúcar: 5% do setor
•Destilarias Autônomas (somente álcool): 32% do setor
•Usinas de açúcar e álcool: 63% do setor
O Destino dos resíduos no contexto de usinas de açúcar e álcool
•Palha:
•Atualmente: queima no campo
•Futuro: Lei nº 11.241 proíbe queima de palha
•Potencial: Combustível para cogeração.
•Bagaço:
•Atualmente: Sistema de cogeração;
•Potencial: Produção de etanol, butanol e Metanol (rota bioquímica ou
termoquímica).
•Vinhaça:
•Atualmente: Fertirrigação
•Potencial: Biodigestão (biogás); Propagação de leveduras.
13
Produção de leveduras Candida Utilis para alimento animal a partir
da vinhaça residual
Vinhaça: meio de propagação de leveduras
Figura 4. Diagrama simplificado do processo produtivo de leveduras a partir da vinhaça
14
ESTUDOS DE CASO
15
• 2 Grupos:
GRUPO I – DESTILARIAS AUTÔNOMAS
Estudo de Caso Ia - Destilaria autônoma convencional com cogeração.
Todo o caldo extraído é utilizado para produção de Etanol.
Figura 5. Esquema geral do caso Ia.
16
Estudo de Caso Ib
Destilaria autônoma com produção de etanol de 2ª geração e
cogeração utilizando palha e lignina
Todo o caldo extraído é utilizado para produção de Etanol. O bagaço
excedente é utilizado na produção de Etanol de 2ª geração.
Figura 6. Esquema geral do Caso Ib.
17
Estudo de Caso Ic
Destilaria autônoma produzindo álcool de 1ª e 2ª geração, com
utilização da vinhaça para produção de leveduras de alimentação
animal e cogeração utilizando o bagaço, a palha e a lignina.
A vinhaça é utilizada para produzir leveduras para alimento animal
na proporção 1t/65 m³ de vinhaça..
Figura 7. Esquema geral do Caso Ic.
18
GRUPO II – USINAS DE AÇÚCAR E ÁLCOOL COM DESTILARIA ANEXA
Estudo de Caso IIa - Planta convencional de açúcar e álcool com
cogeração.
50% do caldo extraído é utilizado para produção de Etanol e 50%
para a produção de açúcar.
Figura 8. Esquema geral do caso IIa.
19
Estudo de Caso IIb
Planta de açúcar e álcool de 1ª e 2ª geração utilizando o bagaço para
produção de etanol e cogeração utilizando palha e lignina
50% do caldo extraído é utilizado para produção de Etanol e 50% para
a produção de açúcar. O bagaço excedente é utilizado na produção de
Etanol de 2ª geração.
Figura 9. Esquema geral do Caso IIb.
20
Estudo de Caso IIc
Usina de açúcar e álcool de 1ª e 2ª geração, com utilização da
vinhaça para produção de leveduras de alimentação animal e
cogeração utilizando o bagaço, a palha e a lignina.
Figura 10. Esquema geral do Caso IIc.
21
Cenários de Melhoria analisados nos casos base (Ia e IIa)
1.
Redução do consumo específico de vapor nos processos
O consumo específico de vapor nos processos foi reduzido
gradualmente em até 20%.
2.
Incremento nos parâmetros de pressão e temperatura no
sistema de cogeração
De acordo com a tabela 1, caracterizando os cenários C1 a C4
Tabela 1. Parâmetros utilizados para simulação de cada cenário.
Cenário
C1
C2
C3
C4
Parâmetros da Caldeira
Pressão (bar)
Temperatura (°C)
42
420
65
490
85
510
120
530
22
RESULTADOS
24
Bagaço Excedente
(t/h)
Destilaria Autônoma - Etanol de 1ª
Geração
15%
10%
5%
0%
C1
C2
C3
C4
Cenários
Bagaço Excedente (t/h)
Gráfico 1. Bagaço excedente do caso Ia.
Destilaria Autônoma - Etanol de 1ª
Geração
30%
28%
26%
24%
22%
C1
C2
C3
C4
Cenários
Gráfico 2. Bagaço excedente do caso Ia, com adição de palha ao sistema de cogeração.
25
Bagaço Excedente
(t/h)
Usina com Destilaria Anexa - Caso II
2%
0%
C1
-2%
C2
C3
C4
-4%
-6%
Cenários
Gráfico 3. bagaço excedente do caso II.
Bagaço Excedente (t/h)
Usina com Destilaria Anexa - Açúcar e
Etanol de 1ª Geração
20%
15%
10%
5%
0%
C1
C2
C3
C4
Cenários
Gráfico 4. bagaço excedente do caso II com adição da palha ao sistema de cogeração.
26
Geração de Eletricidade
Excedente (kWh/tc)
Destilaria Autônoma - Caso Ia
105.00
85.00
C1
65.00
C2
45.00
C3
25.00
C4
380
361
342
323
304
Consumo específico de vapor (kg/tc)
Gráfico 5. Geração de eletricidade excedente do estudo de caso Ia, com adição de palha.
Geração de Eletricidade
Excedente (kWh/tc)
Usina com Destilaria Anexa - Caso II
105.00
85.00
C1
65.00
C2
45.00
C3
25.00
500
475
450
425
400
C4
Consumo específico de vapor (kg/tc)
Gráfico 6. Geração de eletricidade excedente do estudo de caso IIa, com adição de palha.
27
Análise da produção de alimento animal a partir da vinhaça produzida.
45%
Expansão do canavial (%)
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Capacidade de plantas de levedura de vinhaça (t/dia)
150
Gráfico 7. Capacidade da planta de leveduras e consequente possibilidade de
expansão do canavial
28
Análise da possibilidade de expansão do canavial
devida à substituição de uma proporção maior de
levedura por capim
70%
Expansão do canavial original
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1
1.25
1.5
1.75
Taxa de substituição
Gráfico 8. Taxa de substituição do capim por leveduras e consequente possibilidade de expansão do
canavial
29
Análise da quantidade de cabeças de gado
alimentadas por ano com adição de leveduras
na dieta do gado
Cabeças de gado alimentadas por ano
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
50
60
70
80
90
Tamanho de plantas de levedura de vinhaça (t/dia)
100
Gráfico 9. Cabeças de gado alimentadas em consequência da substituição de capim por levedura
30
RESULTADOS AGRUPADOS
Tabela 3. Indicadores dos estudos de caso
Consumo específico de vapor [kg/tc]
Iexc
[kWh/tc]
n
[%]
P
[GJ/ha]
Etanol 2G
[l/h]
Caso Ia
304
68,5
29,7
178,1
Caso Ib
337
83,9
35,0
209,9
8000
Caso Ic
384
82,2
34,8
208,8
8186
Caso IIa
400
82,1
33,3
199,8
Caso IIb
465
82,3
34,7
207,4
3711
Caso IIc
507
76,8
35,5
213,0
4569
L
[ha]
GRUPO I
7.500
GRUPO II
7.500
31
RESULTADOS - ANÁLISE EXERGÉTICA
Casos do grupo I
Caso Ia
Exergia destruída - CASO Ia
43,55%
56,45% Exergia
destruída
Exergia
disponível
37,2% Planta de
Etanol 1G
38,57%
Etanol 1G
4,98%
62,8% Planta de
Cogeração
Eletricidade
Figuras 11a, b e c- representações gráficas de exergia para o caso Ia.
32
RESULTADOS - ANÁLISE EXERGÉTICA
Casos do Grupo II
Exergia destruída - CASO IIc
8,9% - Planta
de Açúcar
19,90%
Açúcar
56,40% Exergia
destruída
43,60% Exergia
disponível
6,0% - Planta
de Etanol 2G
15,70%
Etanol 1G
3,40% Etanol 2G
10,9% - Planta
de Etanol 1G
68,8% - Planta
de Cogeração
5,5% - Planta
de Leveduras
3,40% Eletricidade
1,20% Leveduras
Figuras 16a, b e c- representações gráficas de exergia para o caso IIc.
33
Tabela 4. Resultados agrupados da análise exergética
n exergética
[%]
Açúcar [%]
Etanol [%]
Eletricidade [%]
Etanol 2G
[%]
Leveduras [%]
Caso Ia
43,6
-
38,6
5,0
-
-
Caso Ib
40,9
-
32,0
4,4
4,5
-
Caso Ic
42,4
-
31,9
3,5
5,8
1,2
Caso IIa
45,1
22,2
17,6
5,3
-
-
Caso IIb
43,1
20,4
16,1
4,5
2,1
-
Caso IIc
43,6
19,9
15,7
3,4
3,4
1,2
GRUPO I
GRUPO II
34
Analise Termodinâmica daUnused
Produção
Section
de Biobutanol em uma Biorefinaria
Space 1
Brasileira
Unused
Resultados
Introdução
Metodologia
Cenários de
Integração
Section
Space
2
Conclusões
Integração dos processos
Caldo
Preparação, limpeza e
extração de caldo
Cana-de-açúcar
Tratamento
Bagaço 298
kg/tc
Palha 140 kg/tc
40 kg/tc
347 kg/tc
193,7 kg/tc
Pré-tratamento
Hidrolise
enzimática
H. Glicose
Concentração e
esterilização
Mosto
Vapor
98,7 kg/tc
Caldo
Fermentação
Sistema de
cogeração
Vinho
103,3 kg/tc
Destilação
Torta Lignina 176 kg/tc
Fermentação
29,7 kg/tc
Licor
140,3 kg/tc
Destilação
Hidrolisado de
pentose 121
kg/tc
Biobutanol 17 l/tc
Acetona 4,7 l/tc
Desidratação
Bioetanol
Hidratado
1,2 l/tc
Vinhaça 4,2
t/tc
Bioetanol
Anidro 78
l/tc
Bioetanol
Hidratado
83,1 l/tc
36
RESULTADOS
37
Consumo de energia renovável
54.7
60.0
50.0
1,01
21.4
MJ/l
40.0
30.0
21.1
2,05
26.6
20.0
10.0
0.0
bioetanol
biobutanol
energia contida
consumo de energia
38
Utilização da biomassa
75%
Bagaço
298 kg/tc
25%
Palha
140 kg/tc
Torta de lignina
176 kg/tc
50%
45%
62% Biobutanol
8% Filtros
5% Start-up
Sistema de
cogeração
50% Campo
55% Disposição
39
Análise Técnico-Econômica de
Sistemas BIG-GTCC na Indústria
Sucroalcooleira
Estudos de caso - Sistemas
Modelados
BIG-GTCC
Estudos de caso
•
•
•
•
Caso 1
– Destilaria autônoma com 380 kg vapor/ton cana;
Caso 2
– Destilaria autônoma com 380 kg vapor/ton cana;
– Planta de etanol celulósico 686 kg vapor / ton bagaço;
Caso 3
– Destilaria anexa com 420 kg vapor / ton cana;
Caso 4
– Destilaria anexa com 420 kg vapor/ton cana;
– Planta de etanol celulósico 686 kg vapor / ton bagaço;
Análise termodinâmica
• Balanços de massa e energia
• Cálculo de indicadores de desempenho
de primeira lei
• Balanço de exergia
• Cálculo de indicadores de desempenho
de segunda lei
RESULTADOS
46
Quadro resumo
Índice de
Caso
Produção
Produção
Eletricidade
em
de etanol
de açúcar
excedente
estudo
[litros/h]
[ton/h]
[MW]
eletricidade
excedente
(Ie.
exec)
Função de
Eficiência
produtividade
exergética
(ϧ) [%]
[%]
[kWh/ton cana]
Caso 1
42.500
-
46,32
92,62
46,31
48%
Caso 2
48.716
-
33,26
66,52
50,28
52%
Caso 3
22.500
33,5
44,53
89,06
47,63
52%
Caso 4
28.716
33,5
31,51
63,02
51,62
57%
obrigado
[email protected]