VIABILIDADE ENERGÉTICA DA PRODUÇÃO DE ETANOL
HIDRATADO EM PEQUENA ESCALA
Michel Brondani
Professor Substituto do curso de Engenharia Química/Universidade Federal de Santa Maria
[email protected]
Priscila Marques Julio
Acadêmica do curso de Engenharia Química/Universidade Federal de Santa Maria
Ronaldo Hoffmann
Professor Titular do curso de Engenharia Química/Universidade Federal de Santa Maria
Resumo. Fatores edafoclimáticos impedem
a produção extensiva de cana-de-açúcar no
Rio Grande do Sul e a consequente
instalação de grandes usinas de produção
de etanol hidratado. No entanto, a produção
pode ser elevada com a instalação de
microdestilarias. Dentre outras questões, a
avaliação da eficiência energética do
processo produtivo torna-se importante a
fim de ratificar a maior produção de energia
do que seu consumo. A partir da análise da
produção de etanol hidratado na
microdestilaria da Universidade Federal de
Santa Maria, foi calculada a eficiência
energética global do processo. O resultado
mostrou que a eficiência energética global
do processo foi de 2,92 e 0,69, com e sem
créditos da energia contida no bagaço,
respectivamente. Logo, o processo é
eficiente se considerado o potencial
energético do bagaço.
Palavras-chave: Etanol hidratado.
Eficiência energética. Pequena escala.
1.
INTRODUÇÃO
Apesar de o Brasil ser um grande
produtor, exportador e consumidor mundial
de etanol, alguns de seus Estados são
deficitários na produção do mesmo. É o caso
do Rio Grande do Sul (RS), que não produz
álcool etílico anidro e, embora produza
álcool etílico hidratado, torna-se irrelevante
quando comparada com a quantidade
produzida pelo Estado de São Paulo, Paraná,
Minas Gerais e Goiás, segundo Capeletto
(2013). Atualmente, o RS produz, em média,
2,58 % do etanol consumido, de acordo com
os dados da Tabela 1.
Tabela 1. Porcentagem de etanol hidratado
produzido em relação ao consumido no RS
Ano
(%)
2005
1,76
2006
3,58
2007
3,11
2008
1,94
2009
0,61
2010
2,41
2011
4,67
Fonte - Adaptado de Capeletto (2013)
As condições edafoclimáticas do Estado
impedem a produção agrícola extensiva e a
consequente construção e operação de
grandes usinas. No entanto, pequenas
destilarias podem fornecer, em parte, este
etanol hidratado a partir de cana-de-açúcar.
No último zoneamento climático,
constatou-se a possibilidade da produção de
cana-de-açúcar para fins energéticos (etanol)
confirmando que o RS possui áreas propícias
ao cultivo de cana-de-açúcar. O projeto
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“Desenvolvimento da cultura da cana-deaçúcar para o RS - Foco na produção de
álcool”, convênio FINEP: 01.09.039.00
também estimula tal ação.
Nesse sentido, torna-se oportuno
verificar a eficiência energética do processo
produtivo de etanol hidratado em pequena
escala. Através do balanço energético é
possível estabelecer os fluxos de energia de
entrada (input) e saída (output) do processo e
calcular o ganho líquido de energia pela
razão output/input.
A avaliação da eficiência energética
determina se o sistema produtivo está
contribuindo positivamente, ou seja, se é
produzido mais energia do que é consumido,
sendo conhecida como Retorno de Energia
Sobre a Energia Investida ou EROEI
(Energy Returned On Energy Invested).
Quando o EROEI de um recurso é
inferior a um, a fonte de energia não produz
energia excedente, consumindo mais energia
do que produzindo. Quando for igual a um, a
produção de energia é nula, ou seja, não se
consome mais energia do que se produz e
tampouco se produz excedente energético,
segundo Murphy & Hall (2010).
Assim, o objetivo desse estudo foi
avaliar a eficiência energética global do
processo produtivo de etanol hidratado, em
pequena escala, avaliando a etapa agrícola e
industrial.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
O processo de produção de etanol
hidratado avaliado se desenvolveu na
microdestilaria instalada no Colégio
Politécnico da Universidade Federal de
Santa Maria (UFSM), cuja capacidade
máxima estimada fica entre 320-360
Letanol/dia e operando em regime batelada. Os
dados foram calculados baseados nessa
capacidade de produção, de acordo com a
eficiência de extração do caldo da cana-deaçúcar e destilação do mosto.
Foi assumido a operação em 6 dias na
semana (25 dias/mês), por 6 meses ao ano,
tendo em vista o ciclo produtivo da cana-de-
açúcar. Os dados gerais estão dispostos na
Tabela 2.
Tabela 2. Dados de produção agrícola e
industrial
Produtividade (cana)
80 TC/ha
Produtividade (etanol)
56,5 L/TC
Produção de etanol
48.000 L/ano
1
Área requerida
10,62 ha
1
Estimada a partir da produtividade da cana-deaçúcar, do rendimento da extração e da destilação.
Fonte - Autor
A produção anual de bagaço e vinhaça é
de 369.557,52 kg e 624.000,00 litros,
respectivamente.
Segundo BEN (2012), o poder calorífico
inferior (PCI) do bagaço de cana com 50%
de umidade é 8,916 MJ/kg e do álcool etílico
hidratado é 26,371 MJ/kg (21,336 MJ/L). O
PCI da vinhaça fica em torno de 0,0238
MJ/L.
Os fluxos de entrada e saída da etapa
agrícola e industrial foram quantificados a
partir das informações obtidas em entrevistas
nos centros de estudos da UFSM, no
acompanhamento
da
operação
na
microdestilaria e na conversão por meio de
índices mássicos e energéticos de trabalhos
similares. O tempo de vida útil dos
equipamentos foi respeitado.
A forma de quantificação dos fluxos
mássicos e energéticos foi similar ao estudo
realizado por Brondani et al. (2014)
referente à produção de biodiesel.
A equação para o cálculo da eficiência
energética (E.E) foi adaptada de Macedo et
al. (2008) e apresentada na Equação (1).
E.E 
 Energia
produzida
 Energia
fornecida
1
A quantidade de índices mássicos e
energéticos é bastante grande e não está
apresentada.
No entanto, a Tabela 3 apresenta, em
termos qualitativos, as entradas e saídas
consideradas no processo avaliado.
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Tabela 3. Entradas e saídas do processo
Etapa Agrícola
Fertilizantes (P2O5, K2O, N)
Calcário
Herbicida
Inseticida
Água
Trator (1 unidade), Arado (1 unidade)
Diesel
Mudas de cana-de-açúcar
Etapa de Transporte da cana-de-açúcar
Trator (1 unidade), Reboque (1 unidade)
Diesel
Etapa Industrial
Eletricidade
Água
Lenha
Insumos
Construção Predial
Moenda (1 unidade)
Tanque decantador (1 unidade/500 L)
Tanque fermentador (3 unidades/2.000 L)
Tanque de armazenamento (2
unidades/100 L)
Tanque de armazenamento (2
unidades/1.000 L)
Tanque de armazenamento (2
unidades/6.000 L)
Bomba (2 unidades)
Caldeira (1 unidade)
Destilador (1 unidade)
Fonte - Autor
3.
Tabela 4. Total de energia fornecida (Input)
e produzida (Output)
Etapa
Input (GJ) Output (GJ)
Agrícola
192,00
Transporte
46,50
Industrial
1.240,00
Etanol
1.020,00
Bagaço
3.290,00
Vinhaça
14,90
Total
1.478,50
4.325,00
Fonte - Autor
Ainda se verifica, através da Tabela 4, o
alto potencial energético do bagaço, que
apresentou 76,07 % da energia gerada no
processo. O etanol hidratado apresentou
23,58% do total de energia produzida e a
vinhaça não teve importância considerável.
Tais resultados são importantes para
estimular o uso do bagaço não só como
alimento animal, como geralmente é feito,
mas também como combustível na geração
de vapor reduzindo o consumo de lenha. Em
termos mássicos unitários, o PCI do etanol é
cerca de 3 vezes maior que o do bagaço, no
entanto, o total mássico produzido de bagaço
é cerca de 10 vezes maior que o de etanol
hidratado, o que representa grande potencial,
quando quantificado energeticamente.
A Figura 1 apresenta os resultados
referentes a eficiência energética (E.E) do
processo.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A energia final requerida em cada etapa
e gerada no processo de produção do etanol
hidratado é relatada na Tabela 4.
Pela Tabela 4, é possível perceber que o
maior requerimento da energia corresponde à
etapa industrial, com 83,87% do total do
input energético. Ainda que necessite de
maior estudo, pode-se atribuir esse elevado
requerimento energético ao fato do processo
se desenvolver em batelada, com demasiadas
paradas e acionamentos de equipamentos de
alto consumo energético como a moenda,
por exemplo.
Figura 1 - Eficiência energética do processo
Fonte - Autor
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A E.E de 2,92 unidades pressupõe que
para cada unidade de energia consumida são
geradas 2,92 unidades, ou seja, um ganho
líquido de 1,92 unidades. No entanto,
considerando apenas os créditos de energia
do etanol hidratado, o processo seria
ineficiente, tendo em vista que haveria um
déficit de 0,31 unidade de energia para cada
unidade de energia consumida/introduzida
no processo.
Estudo semelhante foi realizado por
Santos (2011), obtendo uma E.E de 5,00
unidades de energia (4,00 unidades úteis). A
diferença para este estudo incide em fatores
como escala de produção, diferença entre
índices mássicos e energéticos adotados e a
delimitação da fronteira do sistema
analisada.
4.
CONCLUSÕES
Energeticamente, o processo global
apresentou-se ineficiente se analisado
somente a produção de etanol hidratado.
Considerando o potencial energético
contido no bagaço oriundo da etapa de
moagem (ou prensagem), o processo se torna
energeticamente viável, ou seja, é produzido
mais energia do que é consumido de energia.
Naturalmente, há que se considerar o
bagaço e o seu conteúdo energético, pois
pode ser usado como alimentação animal ou
adubo (podendo desempenhar importante
papel de deslocar os insumos químicos) e na
queima em caldeiras para geração de vapor.
Enfim, em um processo produtivo de
etanol hidratado em pequena escala e em
regime de batelada, seria relevante o
dimensionamento
da
usina
e
dos
equipamentos de forma a funcionar de
acordo com um abastecimento de matériaprima já definido e seguro. Dessa forma, os
equipamentos podem ser adquiridos e
operacionalizados de acordo com a
capacidade produtiva estabelecida, sem
consumo excessivo de energia e sem
ociosidade.
Agradecimentos
Aos funcionários e alunos do
Departamento de Fitotecnia da UFSM e aos
funcionários da microdestilaria da UFSM.
A Coordenação de Aperfeiçoamento de
Pessoal de Nível Superior - Ministério da
Educação (CAPES) pela bolsa de incentivo
financeiro à pesquisa.
5.
REFERÊNCIAS
BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL
(BEN). Relatório Final - Ano Base 2011.
Brasília, Brasil, 2012, 282 p.
BRONDANI, M.; HOFFMANN, R.;
MAYER, F. D.; KLEINERT, J. S.
Environmental and energy analysis of
biodiesel production in Rio Grande do Sul,
Brazil.
Clean
Technologies
and
Environmental Policy. Vol. 5, p. 1-15,
2014.
CAPELETTO, G. J. Balanço Energético do
Rio Grande do Sul 2012: ano base 2011.
Rio Grande do Sul, Brasil, 2013,194 p.
MACEDO, I. C., SEABRA, J. E. A.;
SILVA, J. E. A. R. Greenhouse gases
emissions in the production and use of
ethanol from sugarcane in Brazil: The
2005/2006 averages and a prediction for
2020. Biomass and Bioenergy. Vol. 32, p.
582-595, 2008.
MURPHY, D. J.; HALL, C. A. S. Year in
review - EROI or energy return on (energy)
invested. Ecological Economics Reviews,
Vol. 1185, p. 102-118, 2010.
SANTOS, R. E. R. Análise da viabilidade
energética e econômica da produção de
etanol em microdestilarias. 2011. 128 p.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de
Energia) - Universidade Federal de Itajubá,
Itajubá, 2011.
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