BIODIESEL:
PASSADO, PRESENTE E
FUTURO
Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini
Curso de Engenharia Química
Universidade de Ribeirão Preto - UNAERP
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MINICURSO SOBRE
BIODIESEL
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Conversão de energia útil para o ser humano
NãoNão-Renová
Renovável
Renová
Renovável
FONTE DE ENERGIA
Carvão mineral
Solar direta:
célula fotovoltaica
Petró
Petróleo:
Gasolina
Diesel
GLP
Coque
Solar indireta:
Eólica
Quí
Química (biomassa – fotossí
fotossíntese)
Térmica
Gravitacional (hidrelé
(hidrelétricatrica-maré
maré)
DISPOSITIVO
CONVERSOR
Gás Natural
Nuclear:
Fissão
Fusão
CALOR
Aquecimento
Conversão Química
TRABALHO
Mecânico
Elétrico
Químico
Cinético
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Evolução mundial do fornecimento de energia
Fonte: World Energy Council
A busca por fontes não apenas renováveis, mas também mais
eficientes!!!
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Reservas mundiais de Energia
Reservas mundiais de gás natural
Reservas mundiais de petróleo
Reservas mundiais de urânio
Reservas mundiais de carvão
Radiação solar
anual absorvida
pela Terra
Consumo mundial
de energia em 2005
Elaborado com dados das seguintes fontes:
BP Statistical Review 2005
Energia Solar - Wolfgang Palz
Agência Internacional de Energia Atômica (*) estimativa
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Mapa das fontes de energia renovável no mundo
Energia eó
eólica
Hidroeletricidade
Biomassa
Energia Solar
1 tonne of oil equivalent (toe) = 42 GJ (net calorific value)
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A Matriz Energética Brasileira - 2005
Fonte: https://www.petrobras.com.br/Petrobras/portugues/perfil/per_EnergRenov.htm
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A Matriz Elétrica Brasileira - 2005
Fonte: https://www.petrobras.com.br/Petrobras/portugues/perfil/per_EnergRenov.htm
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Conversão energética por combustão
CONVERSÃO DE ENERGIA DISPONÍVEL NA NATUREZA: (NUCLEAR,
QUÍMICA, SOLAR, TÉRMICA, ELÉTRICA, ETC.) EM ENERGIA ÚTIL PARA O
SER HUMANO: (TRABALHO MECÂNICO E CALOR)
COMBUSTÍVEL
+
COMBURENTE
DISPOSITIVO
DE
COMBUSTÃO
MOVIMENTO COERENTE
(TRABALHO)
MOVIMENTO INCOERENTE
(CALOR)
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Conversão energética por combustão
MOTOR DE COMBUSTÃO
COMBUSTÍVEL
ENERGÉTICO,
ABUNDANTE E
RENOVÁVEL
PRODUTOS DE
COMBUSTÃO POUCO
POLUENTES
ALTA EFICIÊNCIA:
MUITO TRABALHO
POUCO CALOR!
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Motores de combustão
COMBUSTÃO EXTERNA
COMBUSTÃO INTERNA
O combustível é queimado fora do
mecanismo que produz movimento
O combustível é queimado dentro do
mecanismo que produz movimento
Motor a vapor
Motor de ignição
por centelha
Motor de ignição
por compressão
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Breve histórico dos motores de combustão interna
# J.J.E. Lenoir (1833-1895) desenvolveu em 1860 o primeiro motor a pistão que
foi comercializado.
# Um motor melhor foi apresentado pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto na
Feira mundial em Paris, em 1867.
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Breve histórico dos motores de combustão
# 1876 – Nikolaus Otto desenvolve o motor de quatro tempos, reduzindo 1/3 o
peso do motor e 1/16 o curso do pistão, aumentando a eficiência térmica. As
características básicas deste motor são as mesmas dos motores de hoje.
# Em 1886, Karl Benz desenvolveu o motor moderno de dois tempos de
combustão interna.
# Em 1892, Rudolf Diesel apresentou patente na Alemanha, “Working Method and
Design for Combustion Engines . . .a new efficient, thermal engine” sendo
aprovada no ano seguinte.
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Breve histórico dos motores de combustão
# Em 1898, Diesel demonstrou sua invenção na Feira Mundial em Paris, usando
óleo de amendoim como combustível! Sua intenção era oferecer um meio de
pequenas indústrias, fazendeiros e pessoas comuns competirem com o monopólio
de grandes indústrias, que controlavam toda a produção de energia naquela
época! Sua idéia era o uso de fontes naturais de combustível, como biomassa.
# Em 1913, Diesel desapareceu do navio em uma viagem à Inglaterra. Não se
sabe se foi suicídio, acidente ou homicídio, uma vez que ele se opunha fortemente
ao uso de seus motores com fins bélicos pela Alemanha.
# Como resultado do trabalho e visão de Diesel, motores de ignição por
compressão foram alimentados com óleos combustíveis até 1920!!!!
# O petróleo foi descoberto na Pensilvânia em 1859, tendo sido utilizado
principalmente para produção de querosene de iluminação. Porém, já na década
de 1920, os fabricantes do motor diesel fizeram alterações de modo a utilizar os
resíduos baratos e de baixa viscosidade do petróleo ao invés de biocombustíveis.
A indústria do petróleo estava crescendo e se estabelecendo no mercado!
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Breve histórico dos motores de combustão
# Mercedez-Benz começou a produzir motores diesel na década de 1930.
# Motores diesel extensivamente usados hoje em dia em submarinos, navios,
locomotivas, caminhões e plantas de geração elétrica são versões refinadas do
original desenvolvido por Diesel em 1893!!
# Rudolf Diesel não foi o único a ter a visão do uso de biocombustíveis nos
motores de combustão. Henry Ford desenvolveu em 1908 seus primeiros modelos
do Ford-T para serem movidos a etanol.
# Década de 1970 – Crise do Petróleo. Busca de fontes de combustíveis
renováveis para os motores do ciclo Otto e do ciclo Diesel.
# Década de 1980 - O etanol passa a ser substituto viável para a gasolina.
# Década de 2000 - Retomada de pesquisas intensivas e utilização de
biocombustíveis nos motores diesel. O biodiesel passa a ser substituto viável para
o diesel do petróleo.
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Motores de combustão interna
Os motores de combustão interna, segundo o tipo de acionamento de ignição que
utilizam, são classificados em motores do ciclo Otto e motores do ciclo Diesel,
Diesel
nomes devidos aos seus descobridores.
Motores do ciclo Otto
São aqueles que aspiram a mistura ar-combustível preparada antes de ser
comprimida no interior dos cilindros. A combustão da mistura é provocada por
centelha produzida numa vela de ignição. É o caso de todos os motores a
gasolina, álcool, gás, ou metanol,
metanol que são utilizados, em geral, nos
automóveis.
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Ciclo Otto - motor à gasolina
A. Indução
Alimentaç
Alimentação de
mistura ar +
combustí
combustível.
B. Compressão
C. Potência
D. Escape
Igniç
Ignição por centelha
da mistura.
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Ciclo Otto - motor à gasolina
2 tempos
4 tempos
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Motores de combustão interna
Motores do ciclo Diesel
São aqueles que aspiram ar, que após ser comprimido no interior dos cilindros,
recebe o combustível sob pressão superior àquela em que o ar se encontra. A
combustão ocorre por auto-ignição quando o combustível entra em contato
com o ar aquecido pela pressão elevada. O combustível que é injetado ao final
da compressão do ar, na maioria dos motores do ciclo Diesel é o óleo diesel
comercial,
comercial porém outros combustíveis, tais como nafta, óleos minerais mais
pesados e óleos vegetais podem ser utilizados em motores construídos
especificamente para a utilização destes combustíveis.
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Ciclo Diesel
A. Indução
Alimentaç
Alimentação apenas
de ar.
B. Compressão
Compressão do ar e
injeç
injeção do
combustí
combustível.
C. Potência
D. Escape
A temperatura do ar
comprimido elevaeleva-se,
chegando a ultrapassar os
700º
700ºC, causando a igniç
ignição
do combustí
combustível injetado.
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O Motor de Rudolf Diesel
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Características dos motores segundo sua aplicação
Tipo de motor
Utilização
IC ou
Diesel
Tempos
0.75 - 70
IC
2,4
15 - 75
IC
4
Ar,água
Carros grandes
75 - 200
IC
4
Ar,água
Comerciais leves
35 - 150
IC, D
4
Ar,água
120 - 400
D
4
água
Veículos leves (aeroportos,
fazendas)
1,5 - 15
IC
2,4
Ar,água
agricultura
3 - 150
IC, D
2,4
Ar,água
40 - 750
D
2,4
água
40 - 2000
D
2,4
água
400 - 3.000
D
2,4
água
Veículos de
Motocicletas Scooters
passeio
Carros pequenos
Comerciais pesados
Veículos fora de
estrada
Movimento de terra
Militares
Potência
kW
Resfria
mento
Ar
Estrada de ferro
locomotivas
Marinhos
Fora de borda
0,4 - 75
IC
2
água
Lanchas a motor
4 - 750
IC,D
4
água
30 - 2.200
D
2,4
água
Navios
3.500 - 22.000
D
2,4
água
Aviões
45 - 2.700
IC
4
ar
Helicópteros
45 - 1.500
IC
4
ar
0,7 - 3
IC
2,4
ar
35 - 22,000
D
2,4
água
Barcos a motor
Aeronaves
Domésticos
Cortador de grama
Estacionários
Potência elétrica
IC: ignição por centelha, D: Diesel
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Demanda de combustíveis para transporte no mundo
Tipo de combustível
Modo de transporte
Fonte: http://www.world-petroleum.org/education/atfuels/index.html
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Matriz de combustíveis veiculares no Brasil 2005
Fonte: https://www.petrobras.com.br/Petrobras/portugues/perfil/Perfil_biodisel.htm
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Origem do óleo diesel
O PETRÓLEO é constituído por centenas de substâncias químicas, do metano ao
asfalto. Sua composição é bastante variada:
Hidrocarbonetos: 83 a 87% em carbono e 11 a 15% de hidrogênio
Nitrogênio: 0 a 0,5%
Enxofre: 0 a 6%
Oxigênio: 0 a 3,5%
Compostos são normalmente divididos em:
Parafinas: hidrocarbonetos lineares de cadeia aberta CnH2n+2.
Isoparafinas: hidrocarbonetos ramificados de cadeia aberta CnH2n+2
Olefinas: hidrocarbonetos não saturados, de cadeia aberta, CnH2n
Naftenos: hidrocarbonetos de cadeia cíclica e saturada, CnH2n
Aromáticos: hidrocarbonetos com anéis benzênicos, de cadeia CnH2n-6
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Fracionamento do petróleo
GLP
Produtos quí
químicos
Gasolina
Combustí
Combustível
para jatos,
iluminaç
iluminação e
aquecimento
PETRÓ
PETRÓLEO
BRUTO
Óleo Diesel
Óleo lubrificante,
graxas
Óleo
combustí
combustí
vel para
navios
Piche para asfalto
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Óleo Diesel do Petróleo
Molécula de óleo diesel consiste de hidrocarboneto do tipo
alcano linear com 16 átomos de carbono e 34 átomos de
hidrogênio
ÓLEO DIESEL = HEXADECANO = CETANO
Reação de combustão:
1C16H34 + 24,5O2 à 16CO2 + 17H2O + energia (~9,5 MJ/mol)
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Características dos combustíveis
Número de Cetano - Permite avaliar a característica antidetonante dos
combustíveis para Motores Diesel. O Cetano é um hidrocarboneto parafínico
(alcano tipo C16H34) que recebe arbitrariamente o índice 100. É misturado ao
alfa-metil-naftaleno, de fraca inflamabilidade, ao qual se atribui índice zero. Das
diversas proporções das misturas obtém-se uma escala de número de Cetano, de
0 a 100.
O índice de octano ou octanagem dos combustíveis está para motores do ciclo
Otto, da mesma forma que o índice de cetano ou cetanagem está para os
motores do ciclo Diesel. Portanto quanto maior for o índice de cetano de um
combustível, melhor será a combustão num motor diesel.
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Características dos combustíveis
Fontes
Poder calorífico inferior, PCI (kcal/kg)
Petróleo
10180
Gás Natural Seco (2)
8800
Carvão Metalúrgico Nacional
6420
Carvão Metalúrgico Importado
7400
Lenha Catada
3100
Lenha Comercial
3100
Bagaço de Cana (4)
2130
Óleo Diesel
Óleo Combustível
10100
9590
Gasolina Automotiva
10400
Gasolina de Aviação
10600
Gás Liquefeito de Petróleo
11100
Nafta
10630
Querosene de Aviação
10400
Coque de Carvão Mineral
6900
Carvão Vegetal
6460
Álcool Etílico Anidro
6750
Álcool Etí
Etílico Hidratado
6300
Coque de Petróleo
8390
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Fracionamento do petróleo
LEMBRETE – o Petró
Petróleo não serve apenas para produzir combustí
combustíveis!!!!
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Por quê substituir o óleo diesel mineral
RAZÃO ECONÔMICA:
FONTE NÃO-RENOVÁVEL
(VEM DO PETRÓLEO)
RAZÃO AMBIENTAL:
EMISSÕES DE GASES DO EFEITO ESTUFA
(EMITE CARBONO NA ATMOSFERA SEM COMPENSAÇÃO, AO
CONTRÁRIO DO ETANOL OU DOS BIOCOMBUSTÍVEIS)
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O Futuro....
ATUALMENTE
DIESEL DO
PETRÓLEO
TRABALHO + CALOR + GASES
MOTOR CICLO DIESEL
FUTURO (PRÓXIMO)
COMBUSTÍVEL RENOVÁVEL
QUE SOFRA INGIÇÃO POR
COMPRESSÃO
TRABALHO + CALOR + GASES
MOTOR CICLO DIESEL
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Alternativas ao óleo diesel mineral
ÓLEOS VEGETAIS IN NATURA:
Vantagens:
- Fonte abundante e diversificada
- Processamento já dominado
- Não contém enxofre na composição, minimizando emissão de SO2
Desvantagens:
- Alta viscosidade, dificultando alimentação no motor
- Libera resíduos no motor, prejudicando vida útil
- Pode liberar componentes tóxicos, se combustão não for completa
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Estrutura química de óleos e gorduras
Formados essencialmente por triglicerí
triglicerídeos
Ácido olêico (3)
Glicerol
Molé
Molécula de
óleo, formada
por 3 cadeias de
ácidos graxos
ligadas a uma
molé
molécula de
glicerol
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Comparação diesel x óleos vegetais in natura
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Alternativas ao óleo diesel mineral
BIODIESEL
“Biodiesel é a denominação genérica para os ésteres de ácidos graxos
resultantes da reação entre um TRIGLICERÍDEO e um ÁLCOOL. A esta
reação química dá-se o nome de TRANSESTERIFICAÇÃO, ou seja, a
transformação de um éter em outro”
Os triglicerídeos são os principais componentes óleos vegetais e nas gorduras
animais. O álcool pode ser o metanol ou etanol.
Do ponto de vista de uso como combustível, a principal diferença do biodiesel
para um óleo vegetal é a sua menor viscosidade, facilitando a alimentação no
motor e gerando menor quantidade de resíduos que danificam o motor.
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Transesterificação
A TRANSESTERIFICAÇÃO é a quebra da molécula de triglicerídeo em 3
moléculas menores (ésteres de ácidos graxos) através da reação com um álcool
linear de baixo peso molecular.
CATALISADOR !!!!!
TRIGLICERÍ
TRIGLICERÍDEO
GLICEROL
ÉSTERES METÍ
METÍLICOS
METANOL
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Efeito da transesterificação de óleos vegetais
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Comparação diesel x óleos vegetais transesterificados (biodiesel)
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Vantagens do biodiesel
- Fonte abundante e diversificada (a mesma dos óleos in natura).
- Ambientalmente bené
benéfico. Não é tóxico. Biodegradá
Biodegradável.
- Menos poluente. Não conté
contém enxofre na composiç
composição.
- Reduz aquecimento global (ciclo fechado de carbono).
- Poder calorí
calorífico, cetanagem e viscosidade similares aos do diesel mineral.
- Pode ser usado no motor diesel sem qualquer alteraç
alteração.
- Pode ser misturado ao óleo diesel mineral em qualquer proporç
proporção (B2
(B2,, B5,
B5, B20).
- Permite valorizar os subsub-produtos de atividades agroagro-industriais, com fixaç
fixação do
homem no campo.
- Culturas regionais. AdaptaAdapta-se à cultura vegetal dominante na região.
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Misturas Diesel x Biodiesel
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Benefícios ambientais do biodiesel
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FUTURO – Desafios....
• Diferentes tipos de maté
matériasrias-primas oleaginosas:
- Propriedades físicas e químicas distintas
- Necessidade de pré-tratamento antes da transesterificação
• Ajuste do processo para diferentes tipos de reagentes alcoó
alcoólicos:
- Metanol
- Etanol anidro
- Etanol hidratado
• Otimizaç
Otimização do processo catalí
catalítico:
- Catálise alcalina homogênea
- Catálise ácida homogênea
- Catálise enzimática
- Catálise heterogênea (ácida e alcalina)
• Tecnologia para produç
produção em pequena escala de produç
produção
- Facilidade de operação (baixa complexidade tecnológica)
- Instrumentação
- Minimização de resíduos (água de lavagem, glicerina, solventes, co-solventes).
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FIM
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