Tecnologia e informação
a serviço da sociedade
JORNADA MADEIRA ENERGÉTICA
CAPIM-ELEFANTE COMO FONTE DE ENERGIA
NO BRASIL: REALIDADE ATUAL E
EXPECTATIVAS
VICENTE N.G. MAZZARELLA
BNDES/RIO DE JANEIRO - 29/MAIO/2007
EVOLUÇÃO DO USO DE ENERGIA NO MUNDO
100
Biomassa
moderna e H2
90
Biomassa
(Lenha)
80
Nuclear
Hidro
Solar
70
Solar
Gás
Natural
60
Petróleo
50
40
30
Carvão
20
10
Outro s
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
8
8
8
8
8
9
9
9
9
9
9
9
9
9
9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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0
0
0
0
Fonte: Nakícenovic, Grübler and MaConald, 1998
FONTES DE BIOMASSA ENERGÉTICA
VANTAGENS/DESVANTAGENS
1) Resíduo agrícola
Baixo custo, dispersão geográfica e
sazonal, logística duvidosa, possível
contaminação por defensivos
2) Resíduo industrial
Baixo custo, dispersão geográfica,
logística duvidosa, heterogeneidade,
contaminação, rastreabilidade
problemática.
3) Resíduos de parques e
jardins
Baixo custo, dispersão geográfica e
sazonal, logística problemática,
heterogeneidade.
4) Cultura energética dedicada Custo de obtenção, produção
(florestas, SRC*, gramíneas) localizada, certa sazonalidade,
homogeneidade, rastreabilidade,
logística mais racional.
*SRC - “Short rotation coppice” (arbustos de ciclo curto: dois a três anos)
CONCEITOS DE BIOMASSA
• Biomassa tradicional:
– lenha (em declínio) – 10,4% em 2002;
5,5% em 2050;
2% em 2100
• Biomassa moderna:
– Florestas plantadas, biocombustíveis,plantios
dedicados (em crescimento)
- 1,2% em 2002;
- 10,5% em 2050;
- 24% em 2100),
Fonte: Nakicenovic et al (1998)
ÁREAS DE FLORESTAS PLANTADAS
POR CONTINENTE (M ha)
Fonte
ONDE
Mundo
Ásia
Europa
Oceania
América do Norte
América Central
América do Sul
África
Ano
Global Forest
Resources
Assessment
FAO
2000
2005
2000 2005
97,1
36,2
19,8
3,5
16,3
0,2
10,5
10,3
109,5
44,4
21,5
3,8
17,1
0,2
11,3
10,8
125,5 139,5
50,7 59,8
25,4 27,5
3,5
3,8
17,3 18,1
0,2
0,3
10,6 11,4
12,5 13,1
ÁREAS DE FLORESTAS PLANTADAS
POR PAÍSES (M ha)
Global Forest Resources
Assessment
Ano
2000
2005
5,3
5,4
10,7
11,9
16,3
17,1
10,3
10,3
23,9
31,4
19,8
21,5
Fonte
PAÍS
Brasil
Rússia
EUA
Japão
China
Europa
ABRAF
FAO
2007
2005 2006 2000 2005
5,6
5,7
17,3
16,2
16,3 17,1
10,7
45,1
25,4 27,5
DIFICULDADES DE COMPARAÇÃO
EQUALIZAÇÃO DA BASE DE
PRODUTIVIDADE
Mst/ha/a
M3/ha/a
T/ha/a
T m.v./ha/a
T m.s./ha/a (x%H2O)
T m.s./ha/a (0% H2O)
VARIAÇÕES DE DENSIDADES (kg/m3)
RELAÇÃO COM LOGÍSTICA
Casca de arroz
Densidade
natural
Densidade
aparente do
briquete
Densidade a
granel dos
briquetes
% de
água
PCS/PCI
kCal/kg
150
1.280
610
11,6
3.500
(PCI)
Bagaço de cana
46
1.100
600
12,7
3.700
(PCS)
Pó de serra
274
1.220
570
11,5
4.880
(PCI)
Fontes: Quirino, W.F., 2003; Moreira, J.R., 2007
QUADRO COMPARATIVO DE
PRODUTIVIDADES (t m.s./ha/a)
FONTE
t m.v./ha/a
tm.s./ha/a
tCass/ha/a
Eucalipto
FAO-2006 média
28m3/ha/a
14
9,8
4,4
Eucalipto
SBS-2007 clones
50m3/ha/a
25
17,5
7,88
Cana
Cana
Moreira-2006
IBGE-2007
80
78
22
21
9,90 + 2,94
9,45 + 2,94
SRC
Shell-1990
-
12
5,40
Capim
elefante
Samson-2006
Urquiaga-2002
-
13,5 a 14,8
15,3 a 17,6
Capim
elefante
Urquiaga-2006
-
30 a 33
34 a 39
(sem N2)
43
(sem/N2)
19,3
CUSTOS
Custo Comparativo de Energéticos - Maio 2007 (R$ 1,9522/US$ 1,00)
Energético
G.N. (1)
Petróleo (2)
Óleo B-2 (3)
C.M. ímp. (4)
Coque (5)
C.V. plantio (6)
Pelets c. elef (7)
Lenha (30% H2O) (8)
Custo (US$/t)
260,56
509,60
425,35
68,04
104,00
235,60
78,18:81,18 - CAN
70,58 - BRA
58,33
PCS (GCal/t)
10,00
10,90
9,70
7,30
7,30
6,80
US$/GCal
26,06
46,75
43,85
9,32
14,25
34,65
4,43
17,65:18,33 15,93
2,85
20,47
(1) CSPE - Comissão Geral de Serviços Públicos de Energia ESP (não inclui ICMS) (Mai/07)
(2) Petrobrás - US$ 70,10/barril (28/5/07)
(3) Cotação mercado 2007
(4) EPE/DEE - Jan/07
(5) ABM Ago/2006
(6) AMS - Abr / 2007
VANTAGENS COMPARATIVAS
DO CAPIM-ELEFANTE
• Maior produtividade (40 t m.s./ha/ano
• Menor extensão de áreas para uma dada produção
• Menor ciclo produtivo (duas colheitas por ano)
• Melhor fluxo de caixa
• Possibilidade de mecanização
• Energético renovável, ambiente amigável
• Maior assimilação de C – melhor retorno nos projetos de
MDL
FBN – FIXAÇÃO BIOLÓGICA DO NITROGÊNIO
A linha de trabalho da Embrapa
• Substituição do N2 sintético pelo N2 fixado por
bactérias
• Identificação dos tipos de bactérias e espécies de
capim com interação ótima
• Experimentos do CNPAB com 14 variedades de
capim, por cinco anos
• Economia de fertilizantes
• Não-contaminação de aqüíferos e da atmosfera
• Ambiente compatível
• Conservação de energia nobre (eletricidade e gás)
RESULTADOS DE PRODUTIVIDADE COM FBN - FIXAÇÃO
BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO
(TUBULÕES DE Ø 60 cm)
GENUS
Merker
Taiwan A25
Gigante da Colômbia
Mineiro
Cameroon-Piracicaba
Merker X239 DA-2
Mineiro X23A
Piracicaba P241
Sem Pêlo
Capim Cana D’África
Gramafante
Roxo
Mott
Guaçu
Krakatau
1995
12,4
9,0
7,0
9,0
10,9
11,0
10,9
13,8
10,7
14,4
10,9
11,1
6,0
9,1
12,0
1996
11,3
12,3
12,4
15,3
15,5
15,1
17,4
15,5
15,1
15,6
13,1
8,4
12,6
4,1
11,4
PRODUTIVIDADE t/ha/a
1997 1998 1999 Total Average
28.8 10,0 22,8 85,3
17,1
31,5 17,0 36,6 106,4 21,3
15,3 6,6 19,2 60,5
12,1
28,5 12,0 45,0 109,8 22,0
36,8 21,6 61,3 146,1 29,2
30,4 18,6 34,0 109,1 21,8
27,9 15,8 30,0 102
20,4
35,3 16,4 49,5 130,5 26,1
30,3 20,6 42,4 119,1 23,8
32,9 16,1 46,4 125,4 25,1
36,5 37,1 80,8 178,4 35,7
18,3 9,9 15,5 63,2
12,6
16,8 8,5 14,9 58,8
11,8
39,9 11,2 41,7 106
21,2
19,4 15,0 37,6 95,4
19,1
FORMAS DE USO DO CAPIM-ELEFANTE
– ENERGIA
• Combustão direta
• Gaseificação
• Carvoejamento
• Hidrólise do bagaço
– OUTRAS
• Painéis compósitos
• Papel
álcool
BALANÇO ENERGÉTICO COMPARATIVO
Pelete de capim elefante (Samson 1999) (GJ/t) (30 t m.s./ha/a)
Energia na produção agro __________0,791/0,668
Energia na peletização _____________0,480/0,480
Energia gasta total ________________1,271/1,148
Energia produzida ________________18,500/18,500
Balanço energético _______________ 14,6:1/16,1:1
Etanol (Macedo et al., 2004) (kCal/tCana)
Energia na produção agro __________48.208/45.861
Energia na industrialização _________11.800/9.510
Energia total gasta ________________60.008/55.371
Energia produzida ________________499.400/565.700
Balanço energético ______________8,3:1/10,2:1
PROBLEMAS PARA DISPONIBILIZAÇÃO
DO CAPIM-ELEFANTE
• Sem tradição como energético; uso para nutrição animal
• Necessidade de definir melhores cultivares por região
(~ 200 genótipos)
• Elevada umidade (até 80%)
• Baixa densidade aparente
• Necessidade de secagem no campo ou por
processamento
• Necessidade de compactação para viabilizar transporte
• Teores de K e cinzas mais altos (em estudo)
PROCESSOS DE SECAGEM DO CAPIM-ELEFANTE
•
De pé (como pé de milho)1
•
Cortado e deitado em leiras2
•
Colhido, picado e extraído o caldo3
(1) – aproximadamente 20% H2O residual; requer mais energia
para colheita e picagem
(2) - aproximadamente 30% H2O residual; requer mais energia,
e cuidados para não apodrecer
(3) - aproximadamente 50% H2O residual; requer menos
energia; secagem ulterior via térmica
PROCESSOS DE COMPACTAÇÃO E VARIÁVEIS
DO PROCESSO
•
•
•
•
Enfardamento
Cubing
(~ 500 kg/m3)
Briquetagem (~ 580 kg/m3)
Peletização (~ 650 kg/m3)
Variáveis
•
•
•
•
•
Pressão
Temperatura
Velocidade de compactação
Umidade residual
Aglomerantes
PROCESSOS DE CARVOEJAMENTO
•
Carvonbras (c) (África do Sul)
•
Tolenil (b)
(piloto; carvão e tiço)
•
DPC (b)
(piloto;carvão)
•
Pyro 7 (b)
(piloto; carvão)
•
Úmido - IPT(b) (bancada – 230ºC; 60 atm; carvão e tiço)
•
•
Bioware - Unicamp(c) (bio-óleo, carvão, gás)
RS (b)
(carvão e voláteis)
(c) Contínuo
(b) batelada
MERCADO DE CARVÃO VEGETAL PARA
SIDERURGIA - BRASIL

Produção brasileira – 2006 (Fe-Gusa de carvão vegetal (1)
• Usinas integradas
– 1.709.072 t
• Produtores independentes
– 9.466.619 t
11.175.691 t

Consumo específico de carvão vegetal
• 2,9 m3/t gusa (2)
• 0,25 t/m3 (densidade aparente)
• 0,725 t c.v./t gusa (3)

Consumo de carvão vegetal no Brasil (siderurgia)
- 8.382.000 t
(1) Sindifer/IBS – 2006
(2) Sindifer/FIEMG – 1995; Anuários Abracave
(3) Campos Ferreira/ECEN - 2005
MERCADO DE CARVÃO VEGETAL NA EUROPA
• Possibilidades de mixagem com coque
• Possibilidades de injeção nas ventaneiras
• Experimentos laboratoriais com carvão e alcatrão
de capim-elefante
CUSTO DO HECTARE E DA TONELADA
DE CAPIM-ELEFANTE (R$/US$)
Produção estimada: 90 t massa verde/ha/a
30 t massa seca/ha/a
Custo de formação (reforma cada 10 anos)
(R$)
(US$)
Serviços/insumos 11.981,77/ha/10 a
198,18/ha/a
90,90/ha/a
Manutenção
617,91/ha/a
283,44/ha/a
Subtotal
816,09/ha/a
374,6/ha/a
Mecanizada:
1.207,40/ha/a
553,85ha/a
Custo total
2.023,49/ha/a
928,21/ha/a
Custo/m.v.
22,48/t m.v.
10,31/t m.v.
Custo/m.s.
67,45/t m.v.
30,94/t m.v.
Colheita (dois cortes/ano)
(*) não considerada a secagem residual de aproximadamente 30% para 0%
Fonte: Urquiaga, S. & Dias, P. – 2006 (em Mai/07: US$ = R$ 1,9522)
FASES DE CUSTO DA BIOMASSA - I
(CAPIM-ELEFANTE)
1) Formação (reforma a
US$/ha
BASE ESTIMADA
(ha/a
FONTE
90,90
90 t m.v.
(1)
cada 10 anos) (preparo,
aração, gradagem, adubação,
plantio – tolete, rizoma,
semente)
30 t m.s.
2) Manutenção (c/FBN)
283,4
90 t m.v.
30 t m.s.
(1)
3) Colheita (mecanizada)
553,85
90 t m.v.
30 t m.s.
(1)
(1) Embrapa – Urquiaga, S. et. Al. – 2006 (US$ 2,18)
FASES DE CUSTO DA BIOMASSA - II
(CAPIM-ELEFANTE)
US$/ha
BASE ESTIMADA
FONTE
4) Picagem/moagem
6,14
Alfafa
(2)
5) Secagem (de pé,
4,58
Alfafa
(2)
Alfafa
Alfafa
Resíduos munic.
Serragem
(2)
(2)
(3)
(3)
deitado, térmica)
6) Compactação (fardos, 11,42 (fardo)
cubos, briquetes, peletes)
23,46 (cubo)
17,30 (pelete)
20,80 (pelete)
(2) Sokhansanj e Turhollow – 2004
(3) Kemyx – estimativa reservada - 2005
FASES DE CUSTO DA BIOMASSA - III
(CAPIM-ELEFANTE)
7) Transporte (cuidado com ar e água!)
US$
BASE ESTIMADA
7.1 Terrestre - campo/beneficiamento
10
100 km (fardos)
7.2 Terrestre – beneficiamento/local
uso
15 a 20
Até 700 km (contêiner,
big bags)
7.3 Terrestre – Beneficiamento/porto
embarque
15 a 25
Até 700 km (contêiner,
big bags)
7.4 Marítimo – Porto embarque/porto
destino
25 a 30
Porto europeu (granel,
big bags
FASES DE CUSTO DA BIOMASSA - IV
(CAPIM-ELEFANTE)
US$/GCal ou m3
USOS
8) Gaseificação
(variável com processo
e escala)
Geração de calor,
vapor, energia elétrica
(~R$ 130,00/MWh)
9) Tiçagem ou
carvoejamento
(variável com processo Aquecimento, redução
e escala)
de óxidos por CO e H2
(~R$ 130,00/m3 carvão
posto siderúrgica (~250
kg/m3 c.v.)
CUSTOS ESTIMADOS – RESUMO I
•
Custo do capim colhido: A = 1 + 2 + 3
US$ 44 a 55/t m.s. switchgrass (pago por t m.s.) (1) (2)
US$ 30,94/t m.s. capim-elefante (base 30 t m.s./ha/a) (3)
US$ 36,40/t m.s. capim-elefante (base 30 t m.s./ha/a com
15% lucro) (3)
US$ 38,68/t m.s. capim-elefante (base 30 t m.s./ha/a com
20% lucro) (3)
(1) Girouard, P. et al. – Canadá – 1999
(2) McLaughlin, S.B. et al. – EUA – 2005
(3) Embrapa, Urquiaga, S. – Brasil – 2006 (US$ = R$ 2,18)
CUSTOS ESTIMADOS – RESUMO I
• Custo da moagem, secagem e compactação: B = 4 + 5 + 6
US$ 22,14/t fardo alfafa (4)
US$ 34,18/t cubo alfafa (4)
US$ 20,8/t pelete serragem (5)
(4) Sokhansanj e Turhollow – EUA – 2004
(5) Kemyx – estimativa reservada - 2005
CUSTOS ESTIMADOS – RESUMO II
• Custo da biomassa seca e compactada: C = A + B
US$ 78,18 a 89,18/t m.s. (1) (2)
US$ 70,58 a 72,86/t m.s. (3)
• Custo da biomassa posta porto embarque: D = C + 7.1 + 7.3
US$ 100,58 a 102,86
(considerado apenas caso do Brasil – pelete de capim-elefante,
30 t m.s./ha/a, porto a 700 km; valor 7.1 – US$10; valor médio 7.3 –
US$20/t)
(1) Girouard, P. et al. – Canadá – 1999
(2) McLaughlin, S.B. et al. – EUA – 2005
(3) Embrapa, Urquiaga, S. – Brasil – 2006 (US$ = R$ 2,18)
CUSTOS ESTIMADOS – RESUMO III
•
Custo do pelete capim-elefante posto porto europeu:
D + 7.4 (valor 7.4 – US$ 25)
US$ 125,58 a 127,86/t m.s.(1)
ou € 93,44 a 95,15/t m.s.(2) ou € 98,18 a 99,90/t m.s.
Nota: considerar margem adicional por ser admitida umidade
de até 10% no pelete; idem por ter-se adotado produtividade
30 t m.s./ha/a, quando se tem conseguido até 40 t m.s./ha/a
(1) US$ 2,18; € = R$ 2,79; € = US$ 1,278 (Ago/2006)
(2) US$ = R$ 1,9522; € = 2,62; € = US$ 1,344 (maio/2007)
PREÇO DE VENDA NO MERCADO EUROPEU
E FASES ANTERIORES (CÁLCULO DE
VIABILIDADE DE TRAZ PARA DIANTE)
1)
2)
3)
4)
5)
Peletes:
€ 250 a € 300/t p/usuário final (trading companies - 2007)
Briquetes:
€ 285/t p/usuário final (Quirino, W.F. – 2003)
Peletes:
€ 110 a € 130/t p/importador (US$ 147,84/t a 174,72/t) (1)
Peletes porto brasileiro: US$ 117,8 a 144,7/t (frete navio US$30/t)
(1)(2)
Peletes posto usina beneficiamento: US$ 92,8 a 119,7/t (frete bitrem US$ 25) (2)
(1) Valores de US$ e € - Maio/2007
(2) Fretes navio e bi-trem considerados valores máximos, por segurança
PREÇO DE VENDA NO MERCADO EUROPEU
E FASES ANTERIORES
6)
Capim posto usina beneficiamento: US$ 46,40/t m.s.
(incluído 15% lucro; A = US$ 36,40 + 7.1) (3)
7)
Margem para beneficiamento 5 – 6 = US$ 46,4 a 73,3 >
(US$36,40) (=A); US$ (92,80 – 46,40) = 46,60 a
8)
US$ (119,70 – 46,40) = 73,30
Margem para beneficiamento, considerada variação de
câmbio (Ago/06: Mai/07) € = US$ 1.2822 (Ago/06); € =
US$ 1.3544 (Mai/07)
margem de US$ 46,40 a
73,30 cai para US$ 43,92 a 69,39
(3) US$ = R$ 2,18 (Ago/2006)
INVESTIMENTO PARA PLANTIO - I

2.570.000 t c.v./ano, de capim-elefante
Produção brasileira de gusa de carvão vegetal
(2005)
11.176.000 t (1)
Consumo carvão vegetal (0,75 t c.v./t gusa).......
8.380.000 t c.v./a (2)
Hipótese de 30% de c.v. de capim elefante
(ventaneira)
Rendimento estimado do carvoejamento ..........
2.515.000 t c.v.capim elef/a
30%
Matéria seca necessária ....................................
8.380.000 t m.s./a
Área necessária (40t m.s./ha/a) ........................
209.600 ha
Custo de formação ($1.981,77/ha) (3)............... R$ 415.346.000/209.600 ha
(1) Sindifer/Fieng – 2006
(2) Campos Ferreira/ECEN – 2005
(3) Embrapa – Urquiaga, S. - 2006
INVESTIMENTO PARA PLANTIO - II

10.000.000 t m.s./a (capim-elefante) (para produção de
peletes e briquetes)
• Produtividade estimada – 40 t m.s./ha/a
• Área necessária
- 250.000 ha
• custo de formação/ha
- R$ 1.981,77 (1)
• Custo de formação total – R$ 495.442.500,00/250.000 ha
(1) Embrapa – Urquiaga, S. - 2006
REALIDADE ATUAL DO CAPIM-ELEFANTE I
• Sendo “descoberto” como biomassa moderna
• Produtividade elevada, requer áreas menores, caminho
fotossintético C-4
• Ambiente compatível, FBN reduz ou elimina adubação
nitrogenada
• Interesse para projetos de MDL; relação C:N > 100
• Custos no Brasil ainda estimativos, carecem de
comprovação em escala confiável
• Prováveis custos mais baixos que outras biomassas
REALIDADE ATUAL DO CAPIM-ELEFANTE II
• Ciclo produtivo menor, melhor fluxo de caixa, menor
investimento
• Mercado de larga escala já existente para biomassa seca
compactada (Europa, EUA, Canadá, Japão)
• Usos variados:
–
–
–
–
Aquecimento residencial, institucional e industrial;
Geração termoelétrica e de vapor;
Redutor em processos metalúrgicos;
Matéria-prima para hidrólise (etanol), painéis e papéis
especiais
REALIDADE ATUAL DO CAPIM-ELEFANTE III
O QUE FALTA:
• Definir custos reais de colheita (IPT, fabricantes de
equipamentos)
• Definir melhores cultivares por região (Embrapa)
• Definir melhor processo para eliminação da água e custos
correspondentes (IPT, Embrapa)
• Confirmar custos reais dos diferentes processos de
compactação (IPT, fabricantes de equipamentos)
• Resolver problemas de composição: K, álcalis, cinzas (IPT,
Embrapa)
• Analisar processos de carvoejamento (IPT, processadores)
CONCLUSÃO I
• Mercado europeu já equivale a 10 Mt/a de biomassa
seca compactada (valor importador ~US$ 1,5 Bi/a) e está
em franco crescimento
• Há indicações de que o capim-elefante brasileiro pode
ser altamente competitivo
• Compensa investir nos estudos faltantes
• Pesquisa complementar incentivada na “Carta de Ouro
Preto” (Fórum de Competitividade da Siderurgia –
Comitê Tecnologia)
CONCLUSÃO II
• Diversas regiões do Brasil têm condições
edafoclimáticas extremamente favoráveis.
• Há grupos brasileiros interessados no capim-elefante
para:
– Geração de energia e vapor para uso próprio
– Geração de energia e vapor para venda a terceiros
– Obtenção de carvão e tiço para redução
– Exportação de peletes e briquetes (inicialmente Europa)
– Comercialização de peletes e briquetes no mercado interno
RECOMENDAÇÕES
• Não esperar que “os outros” banquem a solução dos
estudos faltantes.
• Agências de fomento (BNDES, Finep, EPE/MME) devem
incentivar, pró-ativamente, trabalho conjunto entre áreas
de pesquisa, fabricantes de equipamentos e empresas
interessadas.
• Procurar unir grupos sem conflito de interesses (desde
que isso não represente adiar a solução sine die) para
investir cooperativamente nos estudos faltantes.
Obrigado!
Tecnologia e informação
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